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Tokuhiro, Akira; 小林 順
PNC TN9410 97-059, 59 Pages, 1997/04
プール型の高速炉は自由表面を有する構成となっており、自由表面からのガス巻き込みの炉心に与える影響を明らかにすることが重要な研究課題の1つとなっている。原子炉工学室では、ガス巻き込みに対する基本的な知見を得るため、円筒容器内に強制渦を作り出し、強制渦の流動に関する試験を実施している。一方、当室では、音響手法による流速分布計測手法の高度化研究として、超音波流速分布測定装置を用いた多次元計測や液体金属の流速分布測定についても研究を進めている。そこで渦の流動挙動に関する理解を得るため、ガス巻き込み試験装置に超音波流速分布測定装置を用いた多次元計測手法を適用する実験を行った。本報告書では、計測された流速情報を評価することにより得られた、渦に対する知見を報告するとともに、超音波流速分布測定装置と多数本の超音波トランスデューサを用いることにより、2次元の流速場が計測できることを示す。実験は、水を用い、直径280mm
高さ280mmの円筒容器の底面中央におかれた磁石の撹拌子によって強制渦を誘発し、6本のトランスデューサを直交させて設置することによって流速の径および軸方向成分を計測した。実験の結果、得られた流速データを組み合わせることにより、r-z平面の2次元の流速ベクトル場が得られた。そして、強制渦の流れの変化の比率(すなわち渦度)が示された。本報告書の結果では使用したトランスデューサの本数が少ないため、流速場の解像度が低くなり、流速情報が限定されたものになっている。したがって、平均値や定常または規則的な過渡変化状態における変動量を評価するためには、レーザー流速計や従来から利用されている可視化技術などを並行して利用する必要がある。しかしながら、超音波流速計を用いた計測方法でも、トランスデューサの本数を増加し、平面解像度を高くすれば熱流動研究上有効な道具となりうることを示した。今後さらに3次元計測に対しても拡張を行っていく。
木村 暢之; Tokuhiro, Akira; 宮越 博幸
PNC TN9410 96-296, 136 Pages, 1996/10
高速炉では、原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差のため、炉心上部機構底面に熱サイクルが生じる現象(サーマルストライピング現象)による構造材の熱疲労は重要な課題である。ここでは、水を作動流体とし、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本鉛直噴流による実験により、複数噴流 の混合における熱水力学的挙動を評価することを目的とした。本実験は、噴流吐出速度、噴流吐出温度をパラメータとし、レーザードップラー流速計(LDA) 、超音波流速分布測定装置(UVP)による混合部の局所流速分布測定と、熱電対 による温度分布測定を行った。本報告では、主に温度計測により得られた実験結果について示す。3噴流の混合過程は、単一噴流と比較して温度変化の勾配 が2
3倍程度の大きさとなる領域(対流混合領域)を経ることがわかった。対流混合領域の範囲は、噴流吐出温度差に依存せず一定であり、噴流吐出速度差が依存する場合では、ない場合と比較して上流・下流に広がっていた。噴流吐出速度差一定の場合、対流混合領域内での温度・温度変動幅の空間分布は、噴流吐出温度差で規格化することにより一致することから、噴流の混合における温度差の影響は、噴流吐出速度差の影響と比較し、小さいことがわかった。噴流吐出速度差のない場合のみ、中心噴流が、噴流吐出速度に依存した周期で振動し、これにより、温度揺らぎ成分中に25Hz程度の卓越した周波数成分がみられた。一方、噴流吐出速度差のある場合では、このような振動が見られず、温度揺らぎ成分も通常の乱流状態の周波数分布と同様であった。これらの結果から、原子炉構造物に対し、サーマルストライピング現象による大きな熱サイクルが生じる領域(対流混合領域)の存在が明らかとなり、この領域を踏まえて、原子炉構造物を設置する必要があると考えられる。また、高温噴流と低温噴流の吐出速度差を与えることで、吐出速度に依存する温度揺らぎの最大振幅を持つ周波数成分を抑制することができると考えられる。
Tokuhiro, Akira; 菱田 公一; 大木 義久
PNC TN9410 96-275, 59 Pages, 1996/10
粒子画像流速測定法(PIV)は,流れの中のトレーサー粒子の挙動を画像として記録することにより,流体の流れを測定する技術である。粒子は各フレーム毎に痕跡が記録され,相互相関により,2次元の流速場を得ることが出来る。これにより,3次元の流速場の測定も可能である。この測定法の画像処理にはコンピュータ,CCDカメラ,レーザー光が必要である。レーザーシートは流速場を得るべき面の粒子を発光させるために使用され,粒子と周辺流体とのコントラストを顕著にする。また,トレーサー粒子と流体や流体中を上昇する気泡界面などのレーザー光の反射面をより区別する手法としてレーザー誘起蛍光法(LIF)の適用の考えられる。LIFによる温度場の測定も可能である。本書では,PIVの導入方法について適用事例を通して述べる。適用事例としては,気泡とそれと同等な個体の後流についての試験を行った結果を示す。気泡モデルとして,幅と体積が気泡と同等である個体モデルにより近似できるものとした。この2成分2相流により空間的,時間的に変化する流れに対してのPIVの適用を実証することが出来る。さらに流れ場中の気泡や個体の画像を得るために,赤外線投影法を使用した。レーザーと赤外線の画像をCCDカメラで同時に撮影することにより,流れ場と物体の影を同時に記録できた。2次元流速場と共に,渦度,レイノルズ応力,乱流運動エネルギー(tke)分布を算出した。水による,正方流路内(100mm)対向流(Uavg~0.246m/sec)中に約10mm径の空気泡を入れた試験を行い,次の結果を得た。1)PIVは,気泡とそれと等価な大きさの個体の後方での後流について流れの違いを確認することが出来た。違いは気泡と個体の表面境界条件の違いにより生じるものである。2)気泡後方の後流場は,気泡の振動により空間的,時間的に変化する。すなわち,流速,渦度,乱流運動エネルギー分布は,振動挙動を伴った変化をする。3)気泡は,自分自身の運動によるエネルギー損失を最小にするように振る舞うため,乱流運動エネルギーを後流域に一様に分配するが,個体の場合では,乱流運動エネルギーは個体のごく近傍の制限された領域に分配される。しかしながら,乱流運動エネルギーの値はほぼ同じオーダーであることから,2つのケースでは乱流運動エネルギー散逸のメカニズムが異なっていると推測できる。また,PIVと超音波流速測定法により得られた一部の流速データに関して比較を行った。
Tokuhiro, Akira; 小林 順
PNC TN9410 96-068, 51 Pages, 1996/05
高速炉を模擬した上部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の実験研究が行われた。この潜り込み現象は、DRACS (Direct Reactor Auxiliary Cooling System)を使用した自然循環による崩壊熱除去時のある条件下において発生し、炉心流量を決定する自然循環ヘッドと炉心の冷却性に影響を与える可能性がある。本試験では上部プレナムと燃料集合体入口チャンネルを単純化した試験体を用いて、垂直チャンネル内の高温上昇流へ低温流体が潜り込む現象に対して瞬間的な温度分布と流速分布の計測を行った。その結果、瞬間的な温度分布および流速分布の時間変化はほぼ同一であることが確認された。潜り込み現象を定量的に把握するため、単位時間当たりの現象の発生頻度によって判断した。得られた実験データにより潜り込み初生条件とチャンネルへの潜り込み深さを、与えられたPr数に対してRe数とGr数の組み合わせて表すことに成功した。本報告では、得られた結果が他の同様な研究と若干の違いがあるが、実験データを充分に取り入れた次元解析に基づき、無次元数の組み合わせを提案する。
