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論文

Experimental study on local interfacial parameters in upward air-water bubbly flow in a vertical 6$$times$$6 rod bundle

Han, X.*; Shen, X.*; 山本 俊弘*; 中島 健*; 孫 昊旻; 日引 俊*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 144, p.118696_1 - 118696_19, 2019/12

This paper presents a database of local flow parameters for upward adiabatic air-water two-phase flows in a vertical 6$$times$$6 rod bundle flow channel. The local void fraction, interfacial area concentration (IAC), bubble diameter and bubble velocity vector were measured by using a four-sensor optical probe. Based on an existing state-of-the-art four-sensor probe methodology with the characteristic to count small bubbles, IAC in this study was derived more reliably than those in the existing studies. In addition, bubble velocity vector could be measured by the methodology. Based on this database, flow characteristics were investigated. The area-averaged void fraction and IAC were compared with the predictions from the drift-flux model and the IAC correlations, respectively. The applicability of those to the rod bundle flow channel was evaluated.

論文

Local gas-liquid two-phase flow characteristics in rod bundle geometry

Xiao, Y.*; Shen, X.*; 三輪 修一郎*; 孫 昊旻; 日引 俊*

混相流シンポジウム2018講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2018/08

ロッドバンドル体系における二流体モデルの構成式の高度化を図るために、6$$times$$6ロッドバンドル体系における上昇気液二相流実験を実施した。ボイド率や界面積濃度等の局所流動パラメータを2針式光プローブで計測した。計測した断面平均ボイド率と界面積濃度の結果と、既存ドリフトフラックスモデルや界面積濃度相関式から予測した結果と比較した。

論文

Some characteristics of gas-liquid two-phase flow in vertical large-diameter channels

Shen, X.*; Schlegel, J. P.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Nuclear Engineering and Design, 333, p.87 - 98, 2018/07

 被引用回数:1 パーセンタイル:62.02(Nuclear Science & Technology)

Two phase flows in large-diameter channels are important to efficiently and safely transfer mass and energy in a wide variety of applications including nuclear power plants. Two-phase flows in vertical large-diameter channels, however, show much more complex multi-dimensional nature than those in small diameter channels. Various constitutive equations are required to mathematically close the model to predict two-phase flows with two-fluid model. Validations of the constitutive equations require extensive experiment effort. This paper summarizes the recent experimental studies on two-phase flows in vertical large-diameter channels, which includes measuring technique and available databases. Then, a comprehensive review of constitutive equations is provided covering flow regime transition criteria, drift-flux correlations, interfacial area concentration correlations and one- and two-group interfacial area transport equation(s), with discussions on typical characteristics of large-diameter channel flows. Recent 1D numerical simulations of large-diameter channel flows is reviewed too. Finally, future research directions are suggested.

論文

Experimental study on interfacial area transport of two-phase bubbly flow in a vertical large-diameter square duct

Shen, X.*; 孫 昊旻; Deng, B.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

International Journal of Heat and Fluid Flow, 67(Part.A), p.168 - 184, 2017/10

主に4センサープローブを用いて、鉛直大口径正方形管内における上昇気泡流に関する実験的研究を実施した。流れ方向3断面における、局所界面積濃度、ボイド率、3次元気泡速度、気泡径を計測した。界面積輸送方程式やその中の気泡合体分裂モデルは、二相流における界面積濃度の予測に多用されてきたものの、主に円管や小口径管の二相流実験から構築されており、大口径正方形管に対する適応性の検証がされていない。そこで本研究では、大口径正方形管で取得したデータベースを用いて、既存の1次元1グループ界面積輸送方程式の気泡合体分裂モデルの大口径正方形管への適応性を評価した。最良のモデルに基づく予測と実験結果との誤差は25%であることを示した。

論文

Axial flow characteristics of bubbly flow in a vertical large-diameter square duct

Shen, X.*; 孫 昊旻; Deng, B.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Proceedings of 17th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-17) (USB Flash Drive), 14 Pages, 2017/09

4センサープローブを用いて、鉛直大口径正方形ダクト内における上向き気泡流の実験的研究を行った。流れ方向3断面における局所界面積濃度、3次元気泡速度ベクトルと気泡径等を計測した。取得したボイド率、局所界面積濃度、3次元気泡速度ベクトルと気泡径等により、流れの挙動に関する有益な情報を提供できるだけでなく、界面積濃度輸送方程式内のソースとシンク項の機構論的モデルの高度化にとって重要なデータベースとなる。

論文

Multi-dimensional gas-liquid two-phase flow in vertical large-diameter channels

Shen, X.*; Schlegel, J. P.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Proceedings of 2017 Japan-US Seminar on Two-Phase Flow Dynamics (JUS 2017), 6 Pages, 2017/06

Large-diameter (D) channels are extensively used to increase the mass, momentum and heat transport capability of working fluid. Comparing with small-D pipes, two-phase flows in large-D channels show quite different and more complicated flow characteristics, since much larger cap bubbles can exist and interfacial instability prevents the cap bubbles from forming a large stable Taylor bubble. Flow regimes and radial void fraction profiles are also different from those in small-D pipes especially in cap/slug flow regime. The relative velocities between phases are greatly increased. This paper reviews recent progresses in the researches on two-phase flows in large-D channels. The state-of-the-art tool of four-sensor probe may enable classification of two-group bubbles by the measurement of bubble diameter instead of bubble chord length. Databases and most of the updated constitutive equations that cover flow regime transition criteria, drift-flux correlations, interfacial area concentration (IAC) correlations and one- and two-group interfacial area transport equation(s) are summarized and analyzed. Typical multi-dimensional characteristics of flows in large-D channels are presented and their one-dimensional numerical simulations are reviewed. Finally the future research directions are suggested.

論文

Gas-liquid bubbly flow structure in a vertical large-diameter square duct

Shen, X.*; 孫 昊旻; Deng, B.*; 日引 俊*; 中村 秀夫

Progress in Nuclear Energy, 89, p.140 - 158, 2016/05

 被引用回数:6 パーセンタイル:17.95(Nuclear Science & Technology)

4センサープローブを用いて、鉛直大口径正方形管内の上昇気液二相流の局所構造を計測した。球形と非球形気泡を区別する4センサープローブの計測手法を適用し、局所3次元気泡速度ベクトル、気泡径と界面積濃度を計測した。液相流量が低い時と高い時、局所ボイド率と界面積濃度はそれぞれ中心ピークと壁ピークの分布を示した。断面内における横方向気泡速度は、断面の対称的な8分の1三角領域内を循環する2次流れの存在を示し、その大きさは液相速度の上昇とともに増加した。本データに対して、既存ドリフトフラックスモデルや界面積濃度の相関式の比較を行い、適応性を検証した。

論文

Local measurements of 3-D bubble velocity vector, bubble diameter and interfacial area concentration in a vertical large diameter square duct

Shen, X.*; 日引 俊*; 孫 昊旻; 中村 秀夫

Proceedings of 9th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-9) (CD-ROM), 10 Pages, 2014/11

新型沸騰水型原子炉ESBWRの炉心上部のチムニーなど大口径の垂直矩形流路では、気液2相流の液相速度勾配や気泡分布は大口径円管と異なる可能性がある。一方、大口径の矩形流路内については、ボイド率や液相速度、気泡径などの分布に関する報告はあるが、3次元気泡速度や界面積濃度等の流れ構造を詳細に示すパラメータについては報告がなされていない。本研究では、安全解析に用いる流動モデルの信頼性向上等に資するため、それらの詳細計測を行った。実験では、1辺が100mmの正方形断面テスト部を用いて鉛直上昇流のボイド率、界面積濃度、気泡径や3次元気泡速度など主要パラメータの断面内分布を4センサ光プローブを用いて計測し、液流量の増加に伴って、ボイド率と界面積濃度の分布が壁面ピークから管中心ピークに変化することや、主流方向の気泡速度が管中心ピーク分布を持つ結果を得た。更に、断面内の気泡速度分布の結果から、断面内循環流が対称8分の1三角形領域に存在し、液流量に伴って速度が増加することを明らかにした。

論文

An Improved fast neutron radiography quantitative measurement method

松林 政仁; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 吉井 康司*; 岡本 孝司*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 533(3), p.481 - 490, 2004/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:79.73(Instruments & Instrumentation)

もともと熱中性子ラジオグラフィ用に提案された$$Sigma$$スケーリング法の高速中性子ラジオグラフィ定量化法としての有効性をモンテカルロ計算及び高速中性子源炉弥生で実施した実験により検証した。水と銅がそれぞれ、熱中性子ラジオグラフィとの比較及び密度の大きい試料として選ばれた。シミュレーションにより実効的な巨視的断面積は異なった特性を有していることが示唆されたが、核分裂スペクトル断面積を用いた$$Sigma$$スケーリングにより校正した実験結果は水,銅ともに測定結果とよく一致した。このことは、$$Sigma$$スケーリング法が高速中性子ラジオグラフィの定量測定法としてうまく適合することを示している。

論文

Development of a fast neutron radiography converter using wavelength-shifting fibers

松林 政仁; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 吉井 康司*; 岡本 孝司*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 510(3), p.325 - 333, 2003/09

 被引用回数:9 パーセンタイル:41.79

シンチレータと高水素含有樹脂からなる高速中性子ラジオグラフィ用蛍光コンバータが開発され、電子撮像に応用されてきた。高速中性子とコンバータとの反応割合は、コンバータを厚くすることによって増加されるが、蛍光コンバータ自身が不透明であることから内部の発光はコンバータ表面に到達するまでに減衰を受ける。高速中性子ラジオグラフィ用の蛍光コンバータにおいて輝度を改善するために、コンバータ内部の発光を波長変換ファイバーを用いて観察側端面に伝達する新しい考えを取り入れた蛍光コンバータを考案した。東京大学の高速中性子源炉弥生で実施した実験により、波長変換ファイバーを用いた蛍光コンバータが従来型のポリプロピレン樹脂を用いた蛍光コンバータより高輝度であることが確認された。

論文

Study on point of net vapor generation by neutron radiography in subcooled boiling flow along narrow rectangular channels with short heated length

呉田 昌俊; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 秋本 肇

International Journal of Heat and Mass Transfer, 46(7), p.1171 - 1181, 2003/03

 被引用回数:7 パーセンタイル:59.76

ボイド率と沸騰開始点の実験データ及びシステムパラメータの影響評価が、高熱流束限界熱流束予測モデルの検討を進めるうえで必要であった。そこで著者は、中性子ラジオグラフィ高速度撮像法によるボイド率計測技術を開発し、サブクール沸騰流の瞬時ボイド率及び時間平均ボイド率を計測し、ボイド率データベースを蓄積してきた。本研究では、瞬時ボイド率の計測結果から瞬時及び時間平均の沸騰開始点を求め、システムパラメータが沸騰開始点での熱平衡クオリティに及ぼす影響を評価した。評価の結果、システムパラメータの影響が小さいことがわかった。次に、既存の沸騰開始点評価式の短加熱長矩形流路への適用性を検討し、既存の評価式は沸騰開始点での熱平衡クオリティを過小評価することを示した。また、沸騰開始点の評価が限界熱流束モデルによる限界熱流束予測に及ぼす影響を試算し、予測精度が向上することを示した。

論文

Void fraction measurement in subcooled-boiling flow using high-frame-rate neutron radiography

呉田 昌俊; 秋本 肇; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*

Nuclear Technology, 136(2), p.241 - 254, 2001/11

 被引用回数:9 パーセンタイル:39.36(Nuclear Science & Technology)

サブクール沸騰流のボイド率分布を中性子ラジオグラフィ高速度撮像法により計測した。本報では、(1)瞬時ボイド率及び時間平均ボイド率の計測誤差を実験的、解析的に総合評価し、(2)計測結果をもとに流動パラメータがボイド率に及ぼす影響を評価することを目的とした。瞬時ボイド率(計測時間=0.89ms)の計測誤差(標準偏差/平均値)は18%以内であり、誤差最大条件で誤差の44%が中性子数の統計的変動誤差に起因し、36%が画像増幅ノイズに起因し、18%が蒸気泡の移動に起因することを実験及び解析から明らかにした。また瞬時ボイド率データをもとに時間平均ボイド率を求め、この計測誤差が2%以内であることを示した。瞬時ボイド率分布の時間変化量から気泡情報(寸法、移動速度等)を計測するとともに、流動パラメータが時間平均ボイド率に及ぼす影響を計測しボイド率マップを作成した。本研究により、中性子ラジオグラフィ高速度撮像法による沸騰流のボイド率計測技術を確立し、サブクール沸騰流中のボイド率特性を明らかにした。

論文

中性子ラジオグラフィ高速度撮像法の沸騰流計測への応用,2; 短加熱長矩形流路内沸騰流の正味の沸騰開始点

呉田 昌俊; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 秋本 肇

日本機械学会論文集,B, 67(661), p.2295 - 2303, 2001/09

中性子ラジオグラフィ高速度撮像法をサブクール沸騰流の瞬時ボイド率及び時間平均ボイド率の計測に応用した。本研究では、瞬時ボイド率の計測結果から瞬時及び時間平均の正味の沸騰開始点を求め、熱流束、質量速度、入口水温、また流路間隙が沸騰開始点の熱平衡クオリティに及ぼす影響を評価した。これらシステムパラメータが沸騰開始点の熱平衡クオリティに及ぼす影響は、本実験範囲内では小さいことがわかった。次に、既存の正味の沸騰開始点評価式の短加熱長矩形流路への適用性を検討した。既存の評価式は、正味の沸騰開始点の熱平衡クオリティを過小評価することがわかった。また、正味の沸騰開始点評価が限界熱流束モデルによる限界熱流束予測に及ぼす影響を試算し、Saha-Zuber式による沸騰開始点評価式を実験式に置き換えることで限界熱流束の予測精度が向上することを示した。

論文

Preliminary examination of the applicability of imaging plates to fast neutron radiography

松林 政仁; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 吉井 康司*; 岡本 孝司*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 463(1-2), p.324 - 330, 2001/05

 被引用回数:16 パーセンタイル:22.45

高速中性子ラジオグラフィは高速中性子の物質に対する透過率が熱中性子よりも大きいことから工業製品の非破壊検査手法として期待されている。高速中性子の検出法には金属箔を用いる転写法、トラックエッチ法、シンチレータを用いるフィルム法等があるが、最終的な画像取得までの所要時間、高速中性子ビームに含まれる$$gamma$$線に対する感度等の点で一長一短がある。このため、X線、$$beta$$線等の好感度二次元放射線検出器として開発されたイメージングプレート(IP)の高速中性子ラジオグラフィへの適用を試みた。高水素含有樹脂と高速中性子との反応により発生する反跳陽子をIPで記録するとともに、重ねたもう1枚のIPを用いて画像処理により$$gamma$$線の補正を行った。鉛、アクリル樹脂等から構成されるサンプルを高速中性子炉弥生で撮影した結果、$$gamma$$の補正が適切になされた高速中性子ラジオグラフィ画像を得ることができた。

論文

中性子ラジオグラフィー高速度撮像法の沸騰流計測への応用,1; 計測誤差評価とボイド率計測

呉田 昌俊; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 秋本 肇

日本機械学会論文集,B, 67(653), p.179 - 188, 2001/01

中性子ラジオグラフィー高速度撮像法を沸騰流のボイド率計測に応用した。本報では、(a)瞬時ボイド率及び時間平均ボイド率の計測誤差を実験的、解析的に総合評価し、(b)計測結果をもとに流動パラメータがボイド率に及ぼす影響を評価することを目的とした。瞬時ボイド率(計測時間=0.89ms)の計測誤差(標準偏差/平均値)は18%以内であり、誤差最大条件で誤差の44%が中性子数の統計的変動誤差に起因し、36%が画像増幅ノイズに起因し、18%が蒸気泡の移動に起因することがわかった。また時間平均ボイド率の計測誤差は2%以内であった。瞬時ボイド率分布の時間変化量から気泡情報(寸法、移動速度等)を計測するとともに、流動パラメータが時間平均ボイド率に及ぼす影響を計測しボイド率マップを作成した。加熱長が同じ場合、流路間隙が小さいほどボイド率及び気泡寸法が大きく、限界熱流束が低く計測された。

論文

Present status on the development of a high-frame-rate neutron radiography system in JRR-3M

松林 政仁; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*

Nondestructive Testing and Evaluation, 16(2-6), p.267 - 275, 2001/01

JRR-3M熱中性子ラジオグラフィ装置は1991年以来熱水力、農学、医学、考古学等における研究領域で利用されてきた。報装置の有する高性能は毎秒30フレームの実時間撮像を実用的なものとしさらに、高速度カメラの利用により毎秒1,000フレームを超える撮像の可能性を実験上示唆した。実験の結果を受けて蛍光コンバータ、イメージインテンシファイア(II)及び高速度デジタルカメラを組み合わせた高速度中性子ラジオグラフィシステムの開発を行い、フルフレーム撮影時で毎秒4,500フレームの撮影が可能となった。システムの時間分解能向上にあたってはIIの光電面及び蛍光面材料の最適化のみならず蛍光コンバータの残光特性改善が重要であることからNiをキラー物質として微量添加した$$^{6}$$LiF:ZnS(Ag,Ni)コンバータを試作し紫外線励起による測定を行った。その結果、Niの微量添加により発光強度の低下は見られるものの残光特性の改善が確認された。

論文

Design and characteristics of the JRR-3M thermal neutron radiography facility and its imaging systems

松林 政仁; 小林 久夫*; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*

Nuclear Technology, 132(2), p.309 - 324, 2000/11

 被引用回数:24 パーセンタイル:15.61(Nuclear Science & Technology)

JRR-3M熱中性子ラジオグラフィ装置は1991年に完成以来、高中性子束及び高コリメータ比を有する高性能な装置として数多くの研究領域で利用され成果を挙げてきた。近年の高度化された応用研究では、中性子ラジオグラフィ画像の詳細な解析を行うために装置の詳細な特性及び仕様を必要としている。本報告では中性子源、ビームチューブ及び撮影室内部の詳細を記述し、撮影位置における中性子ビーム強度分布、散乱中性子成分等新たに測定した結果とこれまでの特性測定結果を併せて解析し設計値との比較を行った。その結果、設計値を上回る10$$^{8}$$n/cm$$^{2}$$sを超える高中性子束は、核計算の結果とコリメータ比の測定結果からコリメータ入口の有効面積の増加によるものとわかった。さらに装置完成以降に開発を行った高空間分解能を有する撮像システム及び高時間分解能を有する撮像システムについて仕様を詳述し性能を明らかにした。

報告書

高密度比気液二相流に関する基礎研究(先行基礎工学研究に関する共同研究報告書)

三島 嘉一郎*; 日引 俊*; 齊藤 泰司*; 飛田 吉春; 小西 賢介; 鈴木 徹

JNC-TY9400 2000-018, 72 Pages, 2000/07

JNC-TY9400-2000-018.pdf:3.92MB

高速炉の炉心損傷事故時に形成される燃料-スティール混合プールの沸騰挙動を解明するためには、溶融金属を含む気液二相プールの流動特性を把握することが必要である。これは、気体に対する液体の密度比が高いため、その流動特性が通常とは異なる可能性があるからである。そこで、本研究ではこのような高密度比気液二相流の流動特性に関する基礎研究として、中性子ラジオグラフィを用いて窒素ガス-溶融金属(鉛ビスマス)二相流の可視化・流動特性計測を行ない、気泡形状、ボイド率および液相の速度分布などの基礎データを取得するとともに、同データを活用してサイクル機構で開発中のSIMMER-IIIコードで用いられている運動量交換モデルの検証・改良を行った。中性子ラジオグラフィによる窒素ガス-溶融金属二相流の可視化では、ボイド率や気相流束が小さい場合には変形した楕円状気泡が現れ、大きい場合にはキャップ状気泡が現れることが確認された。また、実験結果を既存の実験相関式と比較することによりSIMMER-IIIコードに適用可能な相関式を提案した。さらに、金カドミウムトレーサを用いた可視化実験を行い、ボイド率の定量化に用いた画像処理法を応用することによって液相速度場が計測できることを示した。一方、SIMMER-IIIコードによる解析では、楕円状気泡が現れる場合は従来の運動量交換モデルを用いることが適切であり、キャップ状気泡が現れる場合は実験で提案された相関式を用いることによってSIMMER-IIIの予測精度が格段に向上することが明らかになった。さらに、気泡の形状に応じて運動量交操モデル中の抵抗係数を切り替える新たなモデルを提案し、気泡流領域の広いボイド率範囲にわたってSIMMER-IIIは高密度比気液二相流の流動を再現できるようになった。

論文

イメージングプレートを用いた高速中性子ラジオグラフィ撮影法の開発

松林 政仁; 吉井 康司*; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*

可視化情報学会誌, 20(Suppl.1), p.325 - 328, 2000/07

ポリエチレンシート(PE)とイメージングプレート(IP)を組み合わせて高速中性子ラジオグラフィに適用した。実験には東京大学高速中性子源炉弥生を使用した。1枚目のIP(IP-1)の前面にPEを配置しPE内で発生した反跳陽子をIP-1で記録するとともに、IP-1の後面に配置したIP(IP-2)に記録された画像を用いて$$gamma$$線の補正を行った。実験の結果から、PEの厚さが40$$mu$$mと120$$mu$$mの場合でIP-1の画像を比較すると差は見られなかった。これは飛程以上の厚さの位置で発生した反跳陽子はIP-1に記録されないためと考えられる。また、IPの支持体として使用されているポリエチレンテレフタレート(PET)も水素を含有しており、IPを2枚直接重ねた状態ではIP-1のPETで発生した反跳陽子がIP-2に記録されることがわかった。これに対して、水素を含まないテフロンシートを2枚のIPの間に挟み込むことにより改善した。

論文

Visualization and measurements of liquid phase velocity and void fraction of gas-liquid metal two-phase flow by using neutron radiography

斎藤 泰司*; 日引 俊*; 三島 嘉一郎*; 飛田 吉春*; 鈴木 徹*; 松林 政仁

Proceedings of 9th International Symposium on Flow Visualization, p.391_1 - 391_10, 2000/00

高速増殖炉の炉心溶融事故では、溶融燃料-スチールの混合層で再臨界の可能性が予想される。再臨界を抑制するメカニズムの一つは負のボイド反応度効果を有する溶融燃料-スチール混合層におけるスチールの沸騰である。沸騰による反応度の変化を評価するためには溶融燃料-スチール混合層中の気液二相流の特性を知ることが必要であり、気体-液体金属の二相混合状態の基本特性を研究するために溶融燃料-スチール混合層中の沸騰気泡を液体金属層の断熱気体の気泡によって模擬した実験を行った。中性子ラジオグラフィと画像処理技術を用いて二相混合状態の可視化、液相移動速度及びボイド率の測定を行った。これらの測定により気体-液体金属二相混合気の基本特性が明らかにされた。

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