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。

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

https://doi.org/10.1016/S0029-5493(00)00287-9

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-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-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。

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、ガイド棒方式超音波温度計で約4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、ガイド棒方式で約2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。

Thermal striping; an experimental 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)と中心噴流と周辺噴流の吐出温度差(T=T-T)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。

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。

超音波による流速分布計測手法の高度化研究

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

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*

Proc. of 1997 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FEDSM'97), 0 Pages, 1997/00

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

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。

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