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論文

配管入口部に発生する液中渦キャビテーションに粘性が与える影響についての研究

江連 俊樹; 伊藤 啓; 亀山 祐理*; 上出 英樹; 功刀 資彰*

日本原子力学会和文論文誌, 15(3), p.151 - 158, 2016/09

高速炉における液中渦キャビテーション評価手法構築の一環として、単一吸込み管部に発生する液中渦キャビテーションに対し流体の粘性が与える影響について調査した。可視化試験の結果から、キャビテーション発生に対する動粘性係数変化の影響は、動粘性係数が大きい条件程顕著に現れるとの結論を得た。さらに、循環と動粘性係数の比である無次元循環と液中渦キャビテーション間欠発生移行点でのキャビテーション係数により液中渦キャビテーション発生データを整理することで、異なる動粘性係数条件下における液中渦キャビテーションの間欠発生移行条件を評価できることを確認した。

論文

Study on behavior of vortex cavitation around suction pipes in sodium-cooled fast reactor geometry

江連 俊樹; 伊藤 啓; 上出 英樹; 功刀 資彰*

Thermal Science and Engineering, 24(3), p.31 - 38, 2016/07

Vortex cavitation behavior is studied using a 1/22 scaled upper plenum water model of advanced loop-type sodium-cooled fast reactor. Vortex cavitation occurrences are quantitatively grasped through visualization measurements including its transient behavior under various conditions of inlet velocity of suction pipe, water temperature and system pressure. In addition, the relation between local velocity around vortex and vortex cavitation occurrences are investigated based on results from visualization and Particle Image Velocimetry measurements. Experimental results show the difficulty of evaluation of vortex cavitation occurrences simply based on cavitation factor. And also, vortex evaluation with local circulation shows the effectiveness to organize the vortex cavitation occurrences via the evaluation of pressure decrease using vortex model.

論文

Experimental measurement of vortex cavitation around a suction pipe inlet

江連 俊樹; 伊藤 啓; 亀山 祐理*; 栗原 成計; 功刀 資彰*

混相流, 30(2), p.189 - 196, 2016/06

In this study, experiments on vortex cavitation are carried out using a simple water cylindrical vessel with a suction nozzle. In order to understand the fundamental behavior of vortex cavitation, its instantaneous occurrence behavior is grasped by visualization using high speed camera. Velocity distribution around vortex, which causes cavitation, is also quantitatively grasped by means of Particle Image Velocimetry. From visualization measurements, vortex cavitation is considered to be triggered by the wall nuclei and the cavity develops immediately toward the suction nozzle once triggering occurs on the bottom wall. In addition, distribution of pressure decrease along vortex center estimated based on Burgers model and measured velocity distribution shows monotone increase from the bottom wall toward the suction nozzle. As the results, the cavity is thought to develop toward the suction nozzle intake immediately, if some triggering of cavitation occur on the bottom wall.

論文

Visualization of distribution of shear stress due to water vortex flow with SSLCC

岡崎 総一郎*; 江連 俊樹; 大島 宏之; 河原 全作*; 横峯 健彦*; 功刀 資彰*

Proceedings of 10th Pacific Symposium on Flow Visualization and Image Processing (PSFVIP-10), 8 Pages, 2015/06

水中に吸込み渦が発生する体系において、壁面せん断応力分布を把握するため、せん断応力感応液晶塗布膜法を適用した可視化試験を実施した。試験の結果、壁面せん断応力は、吸込み管中心および吸込み管端部に相対する位置においてピーク値を示すことがわかった。また、試験で得られた無次元化せん断応力分布は、数値解析で得られた無次元化せん断応力分布とよく一致するとの結果を得た。

論文

A High-precision calculation method for interface normal and curvature on an unstructured grid

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大野 修司; 上出 英樹; 大島 宏之

Journal of Computational Physics, 273, p.38 - 53, 2014/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:34.61(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

In the volume-of-fluid algorithm, the calculations of the interface normal and curvature are crucially important for accurately simulating interfacial flows. In this paper, the authors develop a height function method that works appropriately on an unstructured grid. In the process, the definition of the height function is discussed, and the high-precision calculation method of the interface normal is developed to meet the necessary condition for a second-order method. The curvature calculation method is also discussed and the approximated quadric curve of an interface is employed to calculate the curvature. Following a basic verification, the developed height function method is shown to successfully provide superior calculation accuracy and highly reduced computational cost compared with conventional calculation methods in terms of the interface normal and curvature.

論文

A Volume-conservative PLIC algorithm on three-dimensional fully unstructured meshes

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Computers & Fluids, 88, p.250 - 261, 2013/12

 被引用回数:10 パーセンタイル:40.57(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

PLIC法はVolume-of-fluid法の一種であり、高精度な界面計算に用いられるが、複雑な幾何計算を要するため非構造格子系における研究は十分ではない。本研究では、3次元非構造格子系におけるPLIC法の提案を行う。まず、界面勾配等の計算に用いる手法を構築し、加えて、流体率輸送時に気液両相の体積を完全に保存する手法を開発する。検証解析により、開発したPLIC法が大きく歪んだ非構造格子系においても高精度な解析結果を与えることを確認する。

論文

High-precision numerical scheme for vortical flow

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

Applied Mathematics, 4(10A), p.17 - 25, 2013/10

本研究では、渦流れに対する新しい高精度数値解析スキームを提案する。本スキームは、各計算セル内で渦の存在有無を判定し、速度および圧力分布をBurgersモデルに基づいて再構築することで、高精度な運動量輸送計算を行う。検証解析の結果、本スキームが従来スキームと比較して高い解析精度を示すことが確認されている。

論文

高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,1; 数値解析によるガス巻込み現象再現精度の検証

大島 宏之; 田中 伸厚*; 江口 譲*; 西村 元彦*; 功刀 資彰*; 内堀 昭寛; 伊藤 啓; 堺 公明

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.316 - 328, 2012/12

ナトリウム冷却高速炉の安定運転において、自由表面渦によるガス巻込みの防止が重要であるため、著者らはCFDに基づくガス巻込み評価手法の開発を行っている。本研究では、ガス巻込み解析を行うためのCFD手法に関する検討を行った結果、ガス巻込み現象の適切な数値解析を行うためには、十分な格子解像度、高精度離散化手法、過度に渦を減衰させない乱流モデルなどが必要であることを明らかにした。

論文

高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,2; ガス巻込み発生判定手法の提案

大島 宏之; 江口 譲*; 功刀 資彰*; 上出 英樹; 堺 公明; 伊藤 啓

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.329 - 339, 2012/12

ナトリウム冷却高速増殖炉の安定運転のためには、ガス巻込み発生を許容レベル以下に抑制する必要があり、設計検討において、ガス巻込み発生を精度よく評価できる手法が必須である。本研究では、流速分布(速度勾配テンソル)に基づいて渦流れの抽出やガス巻込み評価パラメーター(ガスコア長さなど)の計算を行う手法の提案を行う。加えて、実験結果の分析に基づき、渦によるガス巻込み発生を防止するための基準を先の評価パラメーターを用いて構築し、実際に適切な評価結果が得られることを示す。

論文

非構造格子系における高精度気液界面勾配計算法

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

混相流, 26(1), p.52 - 59, 2012/03

高速炉ガス巻込み現象の直接解析を目的として、著者らは高精度気液二相流数値解析手法の開発を行っている。本論文では、非構造格子系における高さ関数法を開発することによって気液界面勾配の計算手法を改良し、基礎検証によって直線界面の再現に成功するとともに、界面局率の計算も高精度化できたことを示す。

論文

高精度渦流れ計算スキームの開発と検証

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

日本機械学会論文集,B, 78(786), p.254 - 262, 2012/02

ナトリウム冷却大型高速炉の構造健全性確保の観点から、液中渦によるキャビテーション現象の研究を行っており、その一環として、著者らはキャビテーション現象を高精度に解析できる手法の開発を行っている。本論文では、その第一段階として、高精度渦解析スキームの開発と検証について示す。本スキームでは、速度分布に基づき各セルにおいて液中渦の検出を行い、局所速度分布と整合するように渦速度分布が決定され、この渦速度分布に基づいて運動量の輸送が行われる。基本検証として2次元非粘性渦の減衰問題を解析した結果、従来のスキームと比較して高精度な解が得られることを確認した。

論文

A High-precision unstructured adaptive mesh technique for gas-liquid two-phase flows

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

International Journal for Numerical Methods in Fluids, 67(11), p.1571 - 1589, 2011/12

 被引用回数:7 パーセンタイル:47.87(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

本論文では、気液二相流解析における高精度非構造解適合格子の開発と検証を行った。開発する解析手法では、気液界面挙動の解析にPLIC法を用いるため、各セルにおける気液界面の再構築が必要である。そのため、非構造解適合格子において、気液各相の体積保存性と界面の形状保存性を満足する再構築手法を開発した。また、界面近傍での運動量計算に関して物理的な考察を行い、気液各相の運動量を保存する手法を構築した。基礎検証として切欠き付き円盤の回転問題を解析した結果、円盤形状が非常によく再現されることを確認した。また、ダム崩壊問題の解析結果において、運動量保存型手法が物理的に正しい解析結果(実験結果とよく一致する結果)を導くことを確認した。

論文

Two-phase flow simulation of gas entrainment phenomena in large-scale experimental model of sodium-cooled fast reactor

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Progress in Nuclear Science and Technology (Internet), 2, p.114 - 119, 2011/10

高速炉ガス巻込み現象のために高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本件では、解析手法検証の一環として、実規模ガス巻込み現象を対象とした数値解析を実施した。その結果、ガスコア発生などの典型的な気液界面非定常挙動を解析することに成功し、高速炉ガス巻込み現象を数値解析によって評価できる見通しを得た。

論文

Development of laser welding simulation code with advanced numerical models

山下 晋; 米本 幸弘; 山田 知典; 功刀 資彰*; 村松 壽晴

溶接学会論文集(インターネット), 29(3), p.48s - 52s, 2011/08

レーザー溶接による残留応力の定量的評価とその制御は高速増殖炉の長寿命化や補修信頼性の担保において非常に重要な問題である。このような問題に関する深い理解に対して、数値シミュレーションは非常に有効なツールであると言える。そのためには、数値シミュレーションモデルに対して、高精度,強靭性そして高い信頼性が必要となる。これに対し、われわれは最新の数値モデルを用いて以上の特徴を満たすような"SPLICE"(residual Stress control using Phenomenological modeling for Laser welding in Computational Environment)と呼ばれる完全に並列化されたレーザー溶融・凝固シミュレーションモデルを開発した。離散化にVSIAM3(Volume and Surface Integrated Average based Multi Moment Method),界面追跡スキームにTHINC法,固相表現にFAVOR法と呼ばれる手法を用いてレーザー溶接シミュレーションを実施した。その結果、幾つかのレーザー溶接特有の現象を再現することができた。よって、本シミュレーションモデルが将来的にレーザー溶接補修技術に対し大いに貢献できることが示唆される。

論文

High-precision reconstruction of gas-liquid interface in PLIC-VOF framework on unstructured mesh

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

Computational Fluid Dynamics 2010, p.563 - 567, 2011/05

 パーセンタイル:100

高速炉ガス巻込み現象の数値解析を目的とした高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本論文では、非構造格子系における高精度Volume-of-fluid法(PLIC法)の高度化として、気液界面勾配の高精度計算手法を提案する。本手法の基礎検証を行った結果、非構造三角形格子において任意の直線界面が再現されることを確認し、非構造格子系において切欠き付円板回転問題の解析精度が向上することを明らかにした。

論文

高速炉ガス巻込み現象の実規模解析

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

日本機械学会論文集,B, 77(776), p.978 - 981, 2011/04

ナトリウム冷却大型高速炉におけるガス巻込み現象評価のため、高精度気液二相流数値解析手法の開発・検証を進めている。高精度界面追跡法や正確な物理モデルを用いることにより、基礎実験体系におけるガス巻込み現象を再現できることを確認している。本研究では、実規模ガス巻込み現象を対象とした数値解析を実施した結果、配管近傍の渦流れの成長・減衰挙動やガス巻込み発生を捕らえることに成功した。特に、ガス巻込みを発生させる流れ挙動に関するデータが得られ、実機ガス巻込み現象を数値解析によって評価できる見通しを得た。

論文

GPUによる混相流解析手法高速化のための最適アルゴリズムの検討

永武 拓; 功刀 資彰*; 高瀬 和之

第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 4 Pages, 2010/12

GPU(Graphics Processing Unit)はコンピュータのグラフィック処理を行うために開発された演算装置である。グラフィック処理は大量のデータに対して演算を行う必要があるため、GPUはこのような大量のデータに対して演算を実行する能力に優れている。近年、GPUの理論ピーク性能はCPUの数十倍程度と非常に高くなっており、GPUをグラフィックス処理ばかりでなく、学術計算や一般向けのアプリケーションソフトウェアに適用することで処理の高速化を目指す研究が行われている。本研究では界面体積追跡法の一つであるMARS(Multi-interfaces Advection and Reconstruction Solver)をGPUに対応させることにより、計算速度の向上を図ることを目的としている。MARSは気液界面輸送時の体積・形状保存性が良く、現在までに多くの実績を挙げている混相流解析手法である。本研究ではMARSをGPUに対応させる際に必要な界面輸送とポアソン方程式について改良を行い、GPU上でMARSを動作できることを確認した。さらに並列計算の可能性について見通しを得ることができた。

論文

高精度渦流れ解析スキームの開発

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

第24回数値流体力学シンポジウム講演論文集(USB Flash Drive), 5 Pages, 2010/12

ナトリウム冷却大型高速炉の設計研究においては、コンパクト化した炉心を採用する予定であるため、炉容器内冷却材流速が高速化する見込みである。そのため、炉容器内におけるさまざまな熱流動課題を解決する必要がある。その1つがホットレグ吸込み口において発生する液中渦によるキャビテーション現象である。キャビテーションは、構造健全性確保の観点から抑制する必要があるが、キャビテーションは相変化を伴う複雑な現象であるため、その発生を予測するのは容易ではない。このため、著者らは渦流れに伴うキャビテーション現象を再現できる数値解析手法の開発を進めている。本件では、高精度渦流れ解析スキームの開発と基礎検証について述べる。

論文

Application of GPU to Multi-interfaces Advection and Reconstruction Solver (MARS)

永武 拓; 功刀 資彰*; 高瀬 和之

Proceedings of Joint International Conference of 7th Supercomputing in Nuclear Application and 3rd Monte Carlo (SNA + MC 2010) (USB Flash Drive), 5 Pages, 2010/10

原子力分野において、大型計算を行うための高性能の計算機システムが必要となっている。この高性能計算機に関して、近年GPU(Graphics Processing Unit)が注目されている。GPUはコンピュータの画面描写のためのシステムであり、CPU(Central Processing Unit)の負荷を軽減する目的で開発されてきた。近年は高いクオリティーの3次元物体描画に対応するため、多数の演算ユニットと広いメモリバンドを有するようにGPUは拡張され、CPUと比較して数十倍程度と非常に高い演算能力を持つようになった。この結果、GPUを学術計算等に用いる試みが世界中でなされている。本研究では混相流解析手法の一つであるMARS(Multi-interfaces Advection and Reconstruction Solver)をGPUに適応することを目的とし研究を行った。MARSは気液界面輸送時の体積・形状保存性に優れており、現在までに種々の混相流熱流動現象に対して高い予測精度を示している。具体的には界面追跡法及びポアソンソルバーの高速化について、GPU向けのチューニングを行いCPUとのパフォーマンスを比較・検討した結果、当初予測したとおりに高速化を行える見通しを得ることができた。

論文

Two-phase flow simulation of gas entrainment phenomena in large-scale fast reactor

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Proceedings of Joint International Conference of 7th Supercomputing in Nuclear Application and 3rd Monte Carlo (SNA + MC 2010) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2010/10

ナトリウム冷却大型高速炉(JSFR)におけるガス巻込み現象を解析するため、高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本研究では、開発した手法によって大規模実機形状模擬水試験の解析を行った結果を示す。解析には約100万セルの非構造格子を用い、後流渦とそれに伴うガス巻込み現象を発生させる配管近傍には詳細な格子を配置した。非定常解析の結果、ガスコア(界面くぼみ)の発生と発達を捕らえることに成功し、開発した手法がJSFRガス巻込み現象の評価に適用できることを確認した。

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