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論文

Study on mixing behavior in a tee piping and numerical analyses for evaluation of thermal striping

上出 英樹; 五十嵐 実*; 川島 滋代*; 木村 暢之; 林 謙二

Nuclear Engineering and Design, 239(1), p.58 - 67, 2009/01

 被引用回数:96 パーセンタイル:0.71(Nuclear Science & Technology)

サーマルストライピング現象の熱流動側面に着目し、3対1の口径比を持つT管を対象とした水試験を実施した。移動可能な熱電対ツリーと粒子画像流速計測法を用い、詳細な温度分布と流速分布を計測した。T管内のフローパターンは3種類に分類され、それぞれが固有の温度変動強度の空間分布を持つことを明らかにした。温度変動のパワースペクトル(PSD)はSt数により無次元化することで、T管の流速比とフローパターンが同じであれば、流速の絶対値によらず同じ分布形状を示すことがわかった。有限差分法に基づく数値解析の結果、壁面噴流の形態では、枝管からのジェットの背後に交互に渦が発達することが示された。T管内の混合現象をこれらの試験データと解析結果に基づいて明らかにした。

報告書

配管合流部の混合現象に関する研究; 感温液晶シートによる配管内表面温度測定試験

田中 正暁; 川島 滋代*; 五十嵐 実; 林 謙二; 飛田 昭; 上出 英樹

JNC-TN9400 2003-117, 65 Pages, 2004/03

JNC-TN9400-2003-117.pdf:3.49MB

温度の異なる流体が混合することにより生じる温度変動が構造材に伝わると、構造材に高サイクル熱疲労(サーマルストライピング現象)が発生する場合がある。冷却材に液体金属ナトリウムを使用する高速炉では、水に比べてナトリウムの熱伝導率が高いことから液体の温度変動が構造に伝わり易く、本現象の評価は重要な課題である。核燃料サイクル開発機構では、T字管体系の配管合流部におけるサーマルストライピング現象に着目し、T字管における混合現象及び実機プラントで観測されている長周期温度変動の原因を解明するために、長周期温度変動水流動試験を実施している。可視化試験の結果から、流入条件の違いにより噴流形態を(A)衝突噴流(B)偏向噴流(C)再付着噴流(D)壁面噴流に分類でき、各噴流形態は主/枝配管流体の運動量比により整理できることを明らかにした。 本研究では、主配管に枝配管が接続する合流部下流の主配管内表面に感温液晶シート貼り付け、配管表面温度の測定を試みた。配管表面温度は、感温液晶シートによる可視化画像から温度データに変換して定量的に取得する。画像解析による輝度値データから温度データヘの変換にかかる不確かさについて検討し、感温液晶シートによる温度測定誤差は10$$^{circ}C$$の感温範囲に対して平均土約2度Cであることが分かった。感温液晶試験の結果から、(A)衝突噴流条件及び(D)壁面噴流条件のケースでは枝配管下流の主配管内面に、枝配管からの低温流体によるコールド・スポツトが形成され、このコールド・スポツトは時間的に変動し、コールド・スポツトの周辺では温度変動強度が高い値を示すことがわかった。これにより、(A)衝突噴流条件及び(D)壁面噴流条件が配管への熱疲労の観点から厳しい流動条件であることが分かった。壁面に設置した熱電対データとの比較から、感温液晶シートを用いた本手法による温度分布測定結果は熱電対による粗な空間分布を補間するものとして有用であることを確認した。

報告書

配管合流部の混合現象に関する研究; 流体混合現象と構造材への温度変動伝達挙動の解明

五十嵐 実; 田中 正暁; 木村 暢之; 中根 茂*; 川島 滋代*; 林 謙二; 飛田 昭; 上出 英樹

JNC-TN9400 2003-092, 100 Pages, 2003/11

JNC-TN9400-2003-092.pdf:5.1MB

高サイクル熱疲労の研究は、高速炉における構造健全性の観点で重要である。サイクル機構では高速炉における熱疲労評価手法を確立するために種々の実験及び解析コードの整備を実施している。本報は、T字管水試験による温度・速度場計測を実施した。温度測定の結果から、主/枝配管の運動量比が等しければ、温度変動の周波数特性は無次元化したパワースペクトル密度が一致することがわかった。流速測定の結果から、運動量比が等しければ合流部のフローパターンは一致することがわかった。また伝達関数による熱伝達率の推定から、時間的に一定な熱伝達率により温度変動の流体から構造への伝達は表現できることがわかった。

報告書

配管合流部の混合現象に関する研究; DNSによる実験解析と現象の解明

五十嵐 実; 川島 滋代*; 中根 茂*; 田中 正暁; 木村 暢之; 上出 英樹

JNC-TN9400 2003-005, 80 Pages, 2003/02

JNC-TN9400-2003-005.pdf:3.68MB

温度の異なる流体が混合することによって発生する温度変動により、構造材内部に高サイクル熱疲労が発生する現象(サーマルストライピング現象)を評価することは、原子力のみならず一般プラントにおいても重要な課題である。核燃料サイクル開発機構では、本現象の解明とともに設計に適用できる評価ルールを構築するために実験及び解析コードの整備を実施している。T字管体系の配管合流部におけるサーマルストライピング現象に関しては、評価ルールを具体化するために、長周期温度変動水流動試験(WATLON:Water Experiment of Fluid Mixing in T-pipe with Long Cycle Fluctuation)を実施している。 本研究では、直接シミュレーション(DNS)コードによる解析を実施し、熱電対ツリーによる詳細な温度分布測定及び粒子画像流速測定法(PIV)による詳細な速度分布測定結果との比較からコードの適用性を評価するとともに、温度変動に影響を及ぼすと考えられる渦構造の解明を試みた。 DNSによる解析は、試験(壁面噴流と衝突噴流の2ケース)で得られた時間平均温度場及び速度場をほぼ再現できることがわかった。また、解析結果は、温度測定試験における壁面噴流条件で得られた温度変動強度の高い位置に発生する温度変動の卓越周波数も精度良く再現できた。 DNSによる解析結果から、壁面噴流条件における温度変動強度の高い位置に発生する温度変動は、枝配管から出た噴流の後流域に生成されるカルマン渦によるものであることがわかった。また、この枝配管後流域に生成される渦は3次元的な挙動を示していることが確認された。

報告書

ポーラス状閉塞内熱流動に対する解析手法の開発-4サブチャンネル水流動試験による検証-

田中 正暁; 川島 滋代*; 上出 英樹

JNC-TN9400 2001-049, 113 Pages, 2001/02

JNC-TN9400-2001-049.pdf:3.82MB

稠密な燃料要素を有する高速炉の安全評価上の事象として、燃料集合体内に異物が混入し、冷却が阻害されることを想定する冷却材流路閉塞事象がある。既往の研究からワイヤスペーサ型燃料集合体では、燃料ピン間のサブチャンネルに流れ方向に厚みのあるポーラス状閉塞が生じることが指摘されている。このようなポーラス状閉塞物内部では急峻な温度分布が生じることを水流動試験により明らかにしてきた。しかし、熱電対による温度測定を主体とする実験結果から閉塞物内部の熱流動場を解明することは困難であり、解析的検討と合わせて評価することが局所閉塞事象の評価手法を構築する上で重要である。そこで、多次元解析コードCASCADEを用い、標準型k-$$epsilon$$2方程式乱流モデルとハンドブック・ベースの相関式を採用した解析手法を構築し、閉塞物のモデル化手法の高度化を目的として4サブチャンネル水流動試験を対象とした検証解析を実施した。その結果、閉塞物のモデル化においては、閉塞物内部の空隙率分布や閉塞物とピン表面との接触状態、つまり、ピン表面近傍の空隙率、流動抵抗の評価、伝熱相関式の評価が重要であることを明らかにした。本解析手法は、閉塞物中心部の温度分布については保守側の評価となるが、閉塞物内部の流況および温度分布の空間特性を把握し、最高温度を示すピン表面温度を定量的に評価することができる評価手法として有効であることを明らかにした。

報告書

高速炉燃料集合体ポーラス状局所閉塞事象の研究; 37本ピンバンドルナトリウム試験の事前サブチャンネル解析

飯塚 透; 大木 義久; 川島 滋代*; 西村 元彦; 磯崎 正; 上出 英樹

PNC-TN9410 98-022, 58 Pages, 1998/03

PNC-TN9410-98-022.pdf:1.72MB

高速炉の集合体内局所事故の安全評価において、微小粒子による厚みのあるポーラス状閉塞を想定した場合、閉塞領域内被覆管のホットスポットの発生位置及び温度を予測することが重要となる。このような課題を念頭に置き、ポーラス状閉塞の熱流動特性を総合的に評価するため、筆者らは、37本ピンバンドルに閉塞物を設置したナトリウム試験(以下、ナトリウム試験と略)を実施する予定である。ナトリウム試験に先立ち、水を作動流体として閉塞物単体の圧力損失測定試験を実施し、閉塞物の圧力損失評価式を求めた。また、ナトリウム試験の試験条件の設定に資することを目的として、ポーラス状閉塞をモデル化することが可能なサブチャンネル解析コードASFRE-IIIによる事前解析を実施した。その結果、今回のナトリウム試験の検討範囲(ヒータピン出力100$$sim$$400W/cm、流量200$$sim$$480l/min)では、最高温度と入口温度との差は出力/流量比にほぼ比例し、ナトリウム試験における目安制限温度650$$^{circ}$$Cを超える加熱条件は、出力/流量比が0.75(W/cm)/(l/min)以上の場合であるとの予測結果を得た。また、解析結果に基づき、試験条件からヒータピン最高温度が予想できるマップを作成した。

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