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論文

A note on the representation of rate-of-rise of the thermal stratification interface in reactor plenum

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之

Journal of Nuclear Science and Technology, -(-), 0 Pages, 2001/00

液体金属冷却高速炉(LMFBR)において、温度成層界面(軸方向温度勾配が最も急峻となる軸方向位置)の上昇速度を定量化することは、構造材への熱荷重を評価する上で重要である。温度成層化現象は、対流による生成エネルギ-の入力があるPr$$>$$1の密閉空間内流体においても同様に発生する。LMFBRの温度成層化現象に関しては、成層界面の上昇速度を無次元数群(Ri、Re、Gr、Ra[Fr])により定量化する研究が数多く行われている。温度成層化現象は、炉容器プレナム内での過渡事象である。本研究では、エネルギ-バランスを考慮に入れた概略解析(order‐of-magnitude analysis:OMA)に基づく成層界面上昇速度の整理を行い、既往試験結果が1つの整理式によってまとめられることを示した。さらに、本整理は、自然/共存/強制対流問題における保存式のOMAと整合がとれていることを確認した。

報告書

炉心槽内流速分布測定への超音波流速計の適用性評価 ‐ 粒子画像流速計測を含めた水試験への適用 ‐

木村 暢之; 田中 正暁; 林田 均; 小林 順; 上出 英樹; アキラ トーマス トクヒロ; 菱田 公一

JNC-TN9400 2000-057, 60 Pages, 2000/05

JNC-TN9400-2000-057.pdf:2.11MB

高速炉の実用化を目指した研究において、著しい進歩を遂げた数値解析手法を用いた熱流動現象の解明や設計が可能となってきている。熱流動に関する実験研究ではモックアップ試験装置による実証試験から要素を取り出した小規模試験による現象解明、解析手法の検証に重点が移りつつある。このような要求を満たす上で、実験データの質の向上が不可欠である。とくに流速場の測定においては速度の空間分布が時間経過とともに変化する過程を明らかにすることにより、これまで得られなかった情報を抽出し、現象の解明や解析手法の検証に大きく貢献できると考えられる。本報告では、流速の瞬時の空間分布が得られる手法として超音波を用いた流速分布測定法(UDV)と粒子画像流速測定法(PIV)の2つを取り上げた。これらを水流動試験に適用し、計測手法としての適用性を評価した。UDVでは配管体系、平板状噴流体系、さらに高速炉の熱流動現象の要素を取り出した燃料集合体間の隙間流れ(炉心槽内の流れ)に関する水試験に適用した。既存のレーザー流速計やPIVとの比較を行った結果、妥当な測定結果を与えることを確認するとともに、その課題をナトリウム体系への適用を含めて明らかにした。PIVでは炉心槽内の流れに適用し、その課題を明らかにした。炉心槽のような複雑形状流路へ適用する上では、トレーサー粒子以外の画像ノイズを除去する手法を開発することで測定精度の向上を図ることができた。

報告書

サーマルストライピング現象における流体内混合に関する実験研究 - 平行三噴流間の混合過程と吐出速度の影響 -

木村 暢之; アキラ トーマス トクヒロ; 上出 英樹

JNC-TN9400 2000-027, 181 Pages, 2000/02

JNC-TN9400-2000-027.pdf:10.28MB

高温と低温の流体の混合により発生する温度変動が、構造材に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量化することは重要な課題である。本研究では、流体内の混合特性を明らかにする観点で、複数噴流の混合の過程を定量化することを目的とし、水を作動流体として低温噴流の両側に高温噴流を平行スリットから吐出させた3本鉛直噴流体系を用いた実験を実施した。実験パラメータは噴流吐出速度とし、噴流の混合過程を超音波流速計と移動式熱電対により計測した。三噴流の吐出速度差がないときは、噴流に周期的な振動が発生し、噴流の振動により混合が促進される。振動周期は噴流吐出速度に基づくStrouhal数で整理できることがわかった。一方、噴流吐出速度差があるときは、噴流に振動は生ぜず、噴流混合は、噴流吐出速度差がないときに比べ、緩やかに行われている。また、位相平均を用いることにより、温度変動を周期成分とランダム成分に分解することができた。それによると、噴流吐出速度が大きくなるにつれて、噴流が激しく混合する領域では、温度変動の周期成分の割合が大きくなり、ランダム成分の割合が低下することが明らかになった。

論文

Numerical Study on Mixing of Oscillating Quasi-planar Jets with Low Reynolds number Turbulent Stress and Flux Equation Models

西村 元彦; アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之; 上出 英樹

Nuclear Engineering and Design, 202(1), p.77 - 95, 2000/00

 被引用回数:37 パーセンタイル:9.12

平行三噴流水流動実験を対象に、多次元熱流動解析における乱流モデルの適用性を評価した。適用した乱流モデルは、低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデルおよび$$kappa$$-$$epsilon$$二方程式乱流モデルである。乱流モデルのうち、前者には筆者らの提案が含まれており、実験結果の温度場とその変動周波数特性を良く再現した。また、三噴流においては単一噴流よりも活発な流体混合が生じることが実験研究から明らかになっていたが、本解析を通して、活発な混合は、規則的且つ大きな振幅を持つ噴流の振動により生じることがわかった。一方、既往の$$kappa$$-$$epsilon$$二法廷式乱流モデルは、乱流粘性を過大評価したために、噴流の振動を減衰させてしまい、流体混合を過小評価した。

論文

Noise reduction techniques for particle image velocimetry; Application to an experimental study on natural convection in a fast reactor core

木村 暢之; 安田 明洋; 宮越 博幸; アキラ トーマス トクヒロ; 西村 元彦; 上出 英樹

Proceedings of 8th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-8) (CD-ROM), 0 Pages, 2000/00

高速炉内熱流動現象を把握するための速度場の計測手法として,粒子画像流速測定法(PIV)が活用されている。PIVを適用するにあたっては,流れと共に移動している粒子のみを画像に収録する必要がある。しかし,実際には構造物や撮影窓上のゴミ等(以下,ノイズとする)が画像中に存在しており,流速計測の精度低下の原因となっていた。そこで,画像中のノイズを除去する手法を開発した。本ノイズ除去手法により,PIVを用いた流速計測精度が3$$sim$$12倍向上することが確認できた。本ノイズ除去手法を,インターラッパーフロー水試験に適用した結果,集合間ギャップの2次元速度分布を計測することができた。

論文

A Summary of Ultrasonic Thermometer Sodium Test Results for Pipe-flow

林田 均; アキラ トーマス トクヒロ; 上田 雅司; 荒 邦章

Proceedings of 8th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-8) (CD-ROM), 0 Pages, 2000/00

ナトリウム中の音速が温度により変化することを利用して、配管外からナトリウム温度を計測する超音波温度計の開発を実施している。超音波温度計のナトリウム温度計測適用性を検討するために、実際にナトリウムを用いて超音波温度計の各種特性を試験した。その結果、以下のような知見を得た。超音波温度計は、ナトリウムの流速、カバ-ガスの圧力、ナトリウム中の不純物濃度などの影響を、ほとんど受けない。また、直付方式超音波温度計で約2.5$$^{circ}C$$、ガイド棒方式超音波温度計で約4$$^{circ}C$$の試験誤差を有する本試験において、基準温度計と比較して超音波温度計の算出温度は、直付方式で約1$$^{circ}C$$、ガイド棒方式で約2$$^{circ}C$$程度となった。 したがって、本手法の超音波温度計は、主配管内のナトリウム温度を計測する温度計として適用可能なことがわかった。

報告書

A Note on the representation of rate-of-rise of the thermal stratification interface in reactor plenum

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之

JNC-TN9400 2000-015, 26 Pages, 1999/09

JNC-TN9400-2000-015.pdf:1.43MB

液体金属冷却高速炉(LMFBR)において、温度成層界面(軸方向温度勾配が最も急峻となる軸方向位置)の上昇速度を定量化することは、構造材への熱荷重を評価する上で重要である。温度成層化現象は、対流による生成エネルギーの入力があるPr>1の密閉空間内流体においても同様に発生する。LMFBRの温度成層化現象に関しては、成層界面の上昇速度を無次元数群(Ri,Re,Gr,Ra[Fr])により定量化する研究が数多く行われている。温度成層化現象は、炉容器プレナム内での過渡事象である。本研究では、エネルギーバランスを考慮に入れた概略解析(order-of-magnitude analysis;OMA)に基づく成層界面上昇速度の整理を行い、既往試験結果が1つの整理式によってまとめられることを示した。さらに、本整理は、自然/共存/強制対流問題における保存式のOMAと整合がとれていることを確認した。

報告書

Thermal striping an experiental investigation on mixing of jets; Part III Remaining hydrodynamic results from initial experiments

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之; 宮越 博幸

JNC-TN9400 2000-014, 86 Pages, 1999/06

JNC-TN9400-2000-014.pdf:11.72MB

高速炉のサーマルストライピング現象について熱流動に関する実験シリーズが水流動試験装置を用いて行われた。ここで言うサーマルストライピング現象とは、炉心出口部において、制御棒チャンネルや集合体から流出する温度・速度の異なる噴流が十分に混合せずに炉心上部構造材に衝突することにより構造材に熱疲労を与える現象である。本試験体系は、鉛直噴流を平行に3本配置しており、中心噴流が低温、左右の噴流が高温である。噴流は、矩形ノズルから試験容器中に準2次元形状で吐出している。試験パラメータは、噴流の平均吐出流速(U$$_{o,av}$$)と中心噴流と周辺噴流の吐出温度差($$Delta$$T$$_{hc}$$=T$$_{hot}$$-T$$_{cold}$$)である。流速測定はレーザードップラー流速計(LDV)と超音波流速計(UDV)を用いて行った。本試験は、中心噴流を吐出させた単一噴流条件と3本の矩形噴流を吐出させた三噴流条件で行った。第1報は主にUDV計測結果、第2報は主に温度計測結果をまとめ、これらの結果を踏まえ、本報においてフェーズ1試験のまとめを行った。単一噴流条件における流速測定結果は、噴流出口領域から下流において、LDVとUDVとも既知の試験結果と良い一致を示した。三噴流試験条件において、3つの噴流の吐出速度が等速の場合、噴流が左右に振動することにより対流混合が行われていることが明らかとなった。また、速度変動は、流れに垂直方向において、左右の噴流と中心噴流の間の領域で大きくなっていることがわかった。UDVによる速度変動および温度変動から得られた噴流振動の卓越周波数は、噴流が主に混合する領域(混合領域)でf = 2.25Hz、噴流の混合がほぼ終了した領域では f = 0.7Hzであった。左右の噴流吐出速度が中心噴流吐出速度より大きい場合、混合領域が下流側にシフトし、混合領域の流れ方向長さが短くなっていることがわかった。

論文

Experimental investigation of a vertical planar jet by ultrasound and laser Doppler velocimetry

アキラ トーマス トクヒロ

Journal of Nuclear Science and Technology, 36(6), p.540 - 548, 1999/06

高速炉の冷却材であるナトリウム流動場を定量的に把握することは、高速炉の安全性を向上させる上で重要である。ナトリウムは、不透明な物質であるため可視化やレーザーによる流速測定法は適用できず、新規の流速測定技術を確立する必要がある。そこで、当室では、超音波のドップラーシフトを利用した超音波流速計(UDV)の適用を検討している。UDVは、超音波ビームに沿った流体の瞬時の一次元流速を求めることができる。そこで、UDV技術を確立するために、平板鉛直噴流水試験を実施し、レーザードップラー流速測定法により得られた流速との比較を行った。その結果、UDVにより得られた噴流の中心流速の減少過程、および噴流流速の半値幅の軸方向変化は、LDVによる結果、および既往研究結果と一致した。これにより、UDVが定量的に適用可能であることを示した。

論文

An experimental investigation on thermal striping. Mixng phenomena of a non-buoyant jet with two adjacent,buoyant jets as measured by ultra Doppler velocimetry

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之

Nuclear Engineering and Design, 188(1), p.50 - 73, 1999/00

原子炉冷却材の炉心出口噴流は、その温度差により炉心上部機構底面に熱サイクルを生じるため、構造健全性維持の観点から、挙動の把握が重要な課題となっている。本研究では、平行スリットからの3本鉛直噴流により生じるサーマルストライピングの熱水力挙動に着目した研究を行った。実験では噴流出口の流速、温度をパラメータとして与えた。中心からの噴流は冷噴流とし、外側の2本の噴流を高温噴流とした。速度水平方向に39本熱電対ツリーを鉛直方向へ移動することによって測定した。本報では、UVPを用いた流速分布測定の結果を基に考察を行った。3噴流での混合では流速のRMS値が一単噴流と比較して20倍程度になることが確認された。また、流体混合は主に高温噴流と低温噴流の間の位置で行われ、単一噴流と比較して狭い範囲で、かつ、急激に起こるという結果を導入した。

論文

Computational Study on Quasi-planar Jets Mixing with Low Reynolds Number Turbulent Stress and Flux Equation Models

西村 元彦; アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之; 上出 英樹

Proceedings of 9th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-9), 0 Pages, 1999/00

平行三噴流水流動実験を対象に、多次元熱流動解析における乱流モデルの適用性を評価した。適用した乱流モデルは、低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデルおよび$$kappa$$-$$epsilon$$二方程式乱流モデルである。乱流モデルのうち、前者には筆者らの提案が含まれており、実験結果の温度場とその変動周波数特性を良く再現をした。また、三噴流においては単一噴流よりも活発な流体混合が生じることが実験研究から明らかになっていたが、本解析を通して、活発な混合は、規則的且つ大きな振幅を持つ噴流の振動により生じることがわかった。一方、即往の$$kappa$$-$$epsilon$$二方程式乱流モデルは、乱流粘性を過大評価したために、噴流の振動を減衰させてしまい、流体混合を過小評価した。

報告書

超音波による流速分布計測手法の高度化研究

平林 勝; アキラ トーマス トクヒロ; 林田 均; 小林 順; 大木 義久; 荒 邦章

PNC-TN9430 98-002, 29 Pages, 1998/01

PNC-TN9430-98-002.pdf:1.25MB

原子炉工学室では、超音波流速分布測定装置をナトリウムに適用する研究を実施している。現時点では、高温用の超音波トランスデューサを開発し、ナトリウム中の流速分布測定に適用可能なことを確認しているが、今後、解析コードの検証用としても充分な精度をもったデータを取得するためには超音波の散乱現象に対する基礎的な試験も含めた研究が必要であり、最適な信号処理技術の開発が必要である。本報では、原子炉工学室で実施した超音波流速分布測定装置によるナトリウムの流速分布測定結果に対する考察を行うとともに、超音波を用いた計測の基礎理論の現状技術および課題という視点からまとめ、それを踏まえて超音波による流速分布測定手法の高度研究実施する。

論文

An experimental investigation on Penetration of buouyancy-driven cold liquid into a vertical channel with hot,forced-flow

アキラ トーマス トクヒロ; 小林 順; 上出 英樹; 大島 宏之; 家田 芳明

Nuclear Engineering and Design, 177, p.91 - 104, 1998/00

 被引用回数:2 パーセンタイル:75.5(Nuclear Science & Technology)

FBRのホットプレナムから燃料集合体への,低温流体の混合対流潜り込み流れに関して,超音波流速計による計測を中心とした水流同上実験研究をおこなった。この現象は崩壊熱除去のための直接炉心補助冷却装置(DRACS)の運転中の ある

論文

An experimental investigation on thermal striping, 1; Mixing of a vertical cooled jet with two adjacent heated jets as measured by ultrasound Doppler velocimetry

アキラ トーマス トクヒロ; 宮越 博幸; 木村 暢之

Proceedings of 8th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-8), Vo.3, p.1712 - 1723, 1997/00

原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差により、炉心上部機能底面に熱サイクルが生じ、それによる構造材の熱疲労は重要な課題である。サーマルストライピング水流動試験装置を用いて3本の平行スリットから出る噴流のうち中心の噴流が低温である垂直噴流の混合を調査するために一連の試験を実施した。スリット幅は20mmでピッチは50mmである。噴流は3つの出口ノイズから大きなテストタンクへと流出する。実験では広範な温度及び 流速データの計測を行っているが、本報告では単一噴流と3噴流の流動を対象にし、主に超音波流速分布測定装置によって計測された流速データに限定した評価を行った。その結果、単一噴流試験データは、既往研究の結果と一致し、実験結果の一般性が示された。流速の変動成分(RMS)測定によると、3噴流において、混合領域では単一噴流と比較して20倍程度のRMS値となるが、完全に混合が発達した領域では単一噴流よりが小さ

論文

An Experimental investigation thermal striping, 2; Heat transferand transfer and temperature measurement results

木村 暢之; アキラ トーマス トクヒロ; 宮越 博幸

Int.Top.Mtg.on Nuclear ReactorThermal-Hydraulics, p.1724 - 1734, 1997/00

原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差により、炉心上部機構底面に熱サイクルが生じ、それによる構造材の熱疲労は重要な課題である。本研究では平行スリットからの3本鉛直噴流により生じるサーマルストライピングの熱水力挙動に着目した研究を行った。実験では噴流出口の流速、温度をパラメータとして与えた。中心からの噴流は冷噴流とし、外側の2本の噴流を高温噴流とした。速度はレーザードップラー法と超音波流速分布測定装置、(UVP)、温度は水平方向に39本の熱電対ツリーを鉛直方向へ移動すことによって測定した。本報では、温度測定の結果を基に考察を行った。その結果、3噴流の混合が単一噴流と比較して激しく行われていることが確認された。また、噴流の混合時に生じる温度揺らぎの周波数が、噴流の吐出速度に依存していることを明確にし、無次元評価により、試験条件に依存しない結果を導入した。

論文

MEASUREMENT IN THE WAKE OF TWO BUBBLES IN CLOSE PROXIMITY BY COMBINED SHADOW-IMAGE AND PIV TECHNIQUE

アキラ トーマス トクヒロ; 菱田 公一; 前田 昌信*

1997 ASME FRUIDS ENGINEERING DIVISION SUMMER MEETING, , 

高速炉炉内熱流動の評価方法の高度化において、局所的な流速を正確に評価することが非常に重要となっている。そのためには、ナトリウムによる試験が不可欠となるが、ナトリウムは不透明であり、高温での使用となるため、流動場のデータを正確に得ることは非常に困難である。そこで、ナトリウムと流動に関する物性値の類似した水を使用することにより、流速場の測定を行った。今回は、粒子画像流速測定法(PIV)を用いた流速測定を行った。PIVは、流れ中のトレーサー粒子の挙動を画像として記録し、時間毎に得た画像の相互相関により、2次元の流速場を求めるものであり、3次元への適用も可能である。本試験では、PIVと赤外線投影法により、流体中の固体と気泡の後流の比較を行った。その結果、固体と気泡では、表面境界条件の違いから後流の流況には違いが見られた。また、超音波流速測定法により、同条件で流速場を測定し、PIVと比較を行った結果

論文

Investigation of free and forced flows of relevance to fast reactorthermohydraulics using the ultrasonic Doppler method.

アキラ トーマス トクヒロ; 宮越 博幸

PSI Ultrasound Doppler Symposium, , 

FBRの熱流動研究を行う上で,実験における速度場の測定は現象の解明,コード検証を実施するために必須の技術である。過渡現象やゆらぎのある現象については,速度の瞬時の空間分布を時間を追って計測することが必要である。超音波流速計(UVP)は,このような要求に応えるとともに,他の技術では現時点で計測不可能なナトリウム中の速度分布計測を可能とする画期的計測手法である。ここではUVPをサーマルストライピング水流動試験に適用した成果を示す。成果として,3 噴流の流動を対象にした温度デー タと流速分布データの比較により,3噴流の平均流速が等しく,その値が0.5m/sで中心の噴流とその周りの噴流の温度差が5$$^{circ}C$$に対しては,主として軸方向距離がz/Dh=2.0$$sim$$4.5の範囲で対流混合が発生することが明らかになった。ことにDhは出口ノイズの水力等価直径である。

論文

A comparison of expermental and numerical results on convective thermal mixing of three vertical quasi-planar jets

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之; 西村 元彦; 宮越 博幸

Proceedings of 5th ASME/JSME Joint Thermal Engineering Conference (CD-ROM), , 

原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差により、炉心上部機構底面に熱サイクルが生じ、それによる構造材の熱疲労は重要な課題である。本研究では、平行スリットからの3本鉛直噴流により生じるサーマルストライピングの熱水力挙動に着目した研究を行った。実験では噴流出口の流速、温度をパラメータとして与えた。中心からの噴流は冷噴流とし、外側の2本の噴流を高温噴流とした。はじめに単一噴流に対してレーザー流速計と超音波流速計の計測結果を比較し、その結果が良く一致していることを確認した。続いて、等速3噴流に対する温度/速度の計測から、温度/速度の変動は、単一噴流に比較して下流および横方向に大きくなることが明らかとなった。実験結果と時間平均ナビエストークス方程式を用いたCASCADEコードによる解析結果を比較し、平均温度場については一致する傾向を得たが、温度変動強度は、噴流間の領域で、解析の方が実験よりも大きい値を示

論文

Computational Study on Quasi-planar Jets Mixing with Low Reynolds Number Turbulent Strss and Flux Equation Models

西村 元彦; アキラ トーマス トクヒロ; 上出 英樹; 木村 暢之

Proceedings of 9th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NuReTH-9), , 

高速炉炉心出口において温度の異なる冷却材が混合する際に発生する、温度のゆらぎ、すなわちサーマルストライピング現象を模擬した平行三噴流水流実験を対象に、高次の乱流モデルを適用した解析を実施した。高次の乱流モデルは、低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデルであり、乱流運動エネルギー消散率の境界条件を、直接解析に基づく関数により、代数的に与えている点を特徴とする。本モデルによる解析結果は、時間平均流速・温度・温度変動の分布および流況の時間的変化に関して実験と良い一致を示した。また、解析結果から、本体系においては、乱流による混合よりも、噴流が互いに連行しながら左右に振動する際に生ずる混合過程が支配的であることが解明された。併せて、既往のk-$$epsilon$$二方程式乱流モデルによる解析も実施したが、時間平均場が実験結果と一致せず、また、実験と比較して、流況の変動が小さい結果となった。

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