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論文

スペーサによる流路断面変化が流体挙動に及ぼす影響に関する数値シミュレーション

北村 竜明*; 坂本 健作; 高瀬 和之

可視化情報学会誌, 35(Suppl.2), p.59 - 60, 2015/09

超臨界圧水冷却炉の炉心熱設計において、燃料被覆管材料の健全性及び信頼性の観点から被覆管表面最高温度は700$$^{circ}$$Cに制限されている。しかしながら、原子炉の熱効率を向上させるためには炉心出口冷却材温度を上昇させる必要があり、その結果として燃料被覆管表面温度の上昇を招くことが課題となっている。そこで、被覆管表面近傍の熱伝達率を向上させることによって燃料被覆管表面温度の低下を可能にするために、燃料被覆管表面温度が高温になる領域に対して乱れ促進用スペーサを設置することを計画した。本研究では、温度低下の妥当性を調べるために予備的なシミュレーションを行った。その結果、燃料被覆管表面温度の低下に対し、乱れ促進用スペーサが有効であること及び乱れ促進用のベーンの角度が温度低下に大きく影響することがわかった。

論文

超臨界流体中に存在するスペーサまわりの伝熱流動に関する数値解析

北村 竜明*; 坂本 健作; 高瀬 和之

日本機械学会第27回計算力学講演会論文集(CD-ROM), 2 Pages, 2014/11

超臨界圧水冷却炉の熱設計を行う上で、超臨界流体の伝熱流動を正確に把握できる解析手法の整備が重要である。臨界圧力よりも高い超臨界圧の状態では、温度の上昇に伴って流体の密度は連続的に減少する。しかも、擬臨界温度近傍において密度変化の急な領域が存在し、その領域で流体の定圧比熱は極大値を示す。このような超臨界流体の特性を正確に予測するために、超臨界圧条件を模擬できる流体熱物性値を導入した解析コードの開発を行っている。これまでに乱流モデルや並列計算法についての検討を行うとともに、2つの円管流路間や4本バンドル体系でのサブチャンネル間を水平方向に移行するクロスフロー挙動を解析的に評価できることを確認した。本報では、スペーサ付き炉心燃料集合体内サブチャンネルを簡略模擬した4本バンドル体系で実施した熱流動挙動解析の結果について述べる。本研究によって、スペーサに羽根状突起を設けた場合には、突起後方で旋回流が発生しており突起の迎え角に依存する乱れの増加によって流体温度混合は促進することが明らかになった。

論文

超臨界圧条件における原子炉サブチャンネル模擬流路内熱流動シミュレーション

北村 竜明*; 坂本 健作; 高瀬 和之

日本機械学会第26回計算力学講演会論文集(CD-ROM), p.703_1 - 703_2, 2013/11

超臨界圧水冷却炉の熱設計を行う上で、超臨界流体の伝熱流動を正確に把握できる解析手法の整備が重要である。臨界圧力よりも高い超臨界圧の状態では、温度の上昇に伴って流体の密度は連続的に減少する。しかも、擬臨界温度近傍において密度変化の急な領域が存在し、その領域で流体の定圧比熱は極大値を示す。このような超臨界流体の特性を正確に予測するために、超臨界圧条件を模擬できる流体熱物性値を導入した解析コードの開発を行っている。これまでに乱流モデルや並列計算法についての検討を行うとともに、2つの円管流路間を移行するクロスフロー挙動を解析的に評価できることを確認した。本報では、炉心燃料集合体内サブチャンネルを簡略模擬した4本バンドル体系で実施した熱流動解析の結果について述べる。本研究によって、バンドル内の燃料棒間に出力差がある場合には、サブチャンネル間を水平方向に流れるクロスフローは流体物性値変化の影響を受けて高出力側から低出力側に移行することが明らかになった。

論文

超臨界フレオンによる非加熱並行流路内流体混合特性に関する数値解析的研究

北村 竜明*; 坂本 健作; 高瀬 和之

可視化情報学会誌, 32(Suppl.2), p.239 - 240, 2012/10

超臨界圧水冷却炉の熱設計を行ううえで、超臨界流体の伝熱流動を正確に把握できる解析手法の整備が重要である。臨界圧力よりも高い超臨界圧の状態では、温度の上昇に伴って流体の密度は連続的に減少する。しかも、任意の温度に対して密度変化の急な領域が存在し、その領域で流体の定圧比熱は極大値を示す。このような超臨界流体の特性を正確に予測するために、超臨界圧条件を模擬する流体熱物性値を導入した熱流動解析コードの開発を行っており、これまでに乱流モデルや並列計算手法の検討を行っている。本報では燃料集合体内の乱流混合に着目し、予備解析を行った結果について述べる。

論文

レーザー溶接シミュレーションのための予備的検討

北村 竜明*; 坂本 健作; 高瀬 和之

可視化情報学会誌, 30(Suppl.2), p.359 - 360, 2010/10

原子炉本体やその付帯設備等の健全性を確保する補修技術の確立を目的として、3次元微細加工が可能なレーザーを利用した金属材料溶接技術の開発が行われている。この開発の一環として、金属材料溶接技術の最適化を目指して、レーザー照射による金属材料の溶融挙動を数値シミュレーションによって定量評価する手法の開発を行っている。本報告では、予備的に実施した金属溶融シミュレーションをもとに、可視化処理することにより、実験では確認ができなかった金属材料の溶融から凝固する挙動の過程を把握できることを確認した。これによって、溶接技術最適化のための数値シミュレーション技術の開発の見通しを得た。

論文

レーザー照射による材料溶接シミュレーションに関する予備的検討

高瀬 和之; 村松 壽晴; 関 暁之; 北村 竜明*; 町田 啓*

日本機械学会熱工学コンファレンス2009講演論文集, p.217 - 218, 2009/11

原子炉本体やその付帯設備等の健全性を確保する補修技術の確立を目的として、3次元微細加工が可能なレーザーを利用した金属材料溶接技術の開発が行われている。この開発の一環として、金属材料溶接技術の最適化を目指し、レーザー照射による金属材料の溶融挙動を数値シミュレーションによって定量評価する手法の開発を原子力基礎工学部門が行っており、この手法開発に大型計算機の運用面等から協力を行っている。具体的には、金属溶融モデルのプログラミング,入力データの作成,予備計算の実施等を行い、金属材料溶融シミュレーションの可能性についてシステム計算科学の立場から助言を行っている。本報では、予備的に実施した金属溶融シミュレーションをもとに可視化処理した結果について述べる。

論文

液膜挙動に及ぼす燃料棒曲がりの影響

高瀬 和之; 吉田 啓之; 柴田 光彦; 北村 竜明*; 久米 悦雄; Zhe, X.*

日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集, P. 227, 2006/10

革新的水冷却炉は現行軽水炉に比べて燃料棒間隔が極端に狭いため、原子炉運転時における燃料棒の微小変形や燃料棒表面へのクラッド付着などによって、冷却材流路が局所的に大きく減少する可能性があり、このような流路の閉塞によって除熱性能が劣化することが懸念されている。そこで、流路閉塞の除熱への影響を考慮した炉心熱設計手法の確立を目指した研究を計画している。本報では、最初に燃料集合体内の液膜流挙動を二流体モデルや界面追跡法を用いた大規模シミュレーションによって予測した結果を示す。次に、変形等によって湾曲した燃料棒が除熱特性に及ぼす影響を定量的に明らかにするための予備的検討として、湾曲した燃料棒形状を正確に模擬することができる汎用流体解析コードFLUENTを用いた非構造格子体系での二相流シミュレーションの結果について報告する。

論文

狭隘流路内スペーサまわりの加熱液膜流挙動に関する数値的可視化

久米 悦雄; 北村 竜明*; 高瀬 和之; 小瀬 裕男*

可視化情報学会誌, 25(Suppl.2), p.369 - 370, 2005/10

革新的水冷却炉の燃料集合体では、燃料棒まわりを流れる冷却材の領域が半径方向及び流れ方向に一定間隔を保つように複数のスペーサが設置されている。従来の研究から、スペーサ等の障害物の後流には乱れが発生することがわかっている。また、気液二相液膜流では、気相と液相の相対速度に依存して気液界面に発生するせん断力によって液膜中に大きな乱れが形成され、その結果、界面形状が不安定になることが理論的,実験的に明らかになっている。このような突起による乱れと界面不安定現象を原子炉熱設計に反映するためには、加熱液膜流挙動を正確に把握する必要がある。そこで、本研究では、革新的水冷却炉で想定されるスペーサ付き狭隘流路を簡略モデル化した体系で3次元解析を行い、加熱面上に形成される流体温度や流速などの予測結果から、加熱液膜流に及ぼす突起の効果や界面せん断力の影響を定量的に明らかにした。

論文

核破砕ターゲット内の乱流挙動に関する数値的予備検討

高瀬 和之; 北村 竜明*; 久米 悦雄; 一宮 浩一*; 駒田 一郎*

日本機械学会関東支部山梨講演会(2003)講演論文集,No.030-4, p.77 - 78, 2003/00

加速器駆動核変換システムのターゲット窓形状の最適化のための研究を山梨大学と協力して行っている。本論文は原研が担当した数値解析による予備検討結果をまとめたものである。ターゲット窓は高エネルギー陽子ビームによって高熱負荷を受けるため、衝突噴流による除熱性能の向上が考えられている。ターゲット内は乱流であり、したがって数値解析には適切な乱流モデルが必要である。従来の研究から、衝突噴流場では壁面近傍の乱流成分による主流への影響が無視できないことを著者らは指摘した。本研究では、壁面近傍の乱流成分を高い精度で予測できると期待される低レイノルズ数乱流モデルを使って、現設計のターゲット形状を模擬した体系で2次元乱流解析を行い、乱れの等方性と非等方性による解析結果への影響を定量的に調べた。非等方性乱流モデルで予測した噴流衝突時の流速や乱流エネルギーの分布は実験結果の傾向をおおむね模擬できることを示した。

論文

3次元突起付き狭隘流路内の二相流数値解析

高瀬 和之; 小瀬 裕男*; 吉田 啓之; 玉井 秀定; 久米 悦雄; 北村 竜明*

第16回数値流体力学シンポジウム講演要旨集, 7 Pages, 2002/00

低減速スペクトル炉の炉心燃料集合体内には、1mm程度の燃料棒間ギャップを一定に保つためにスペーサが設置される。このような狭隘流路に存在するスペーサ周辺の熱流動特性に関しては、単相では多くの研究が行われているが、二相流ではほとんど見られない。そこで、狭隘流路内に置かれたスペーサ等の物体が二相流挙動に及ぼす影響を数値的に調べた。数値解析には著者の1人が開発した二相流コードTPFITを使用した。解析体系は3次元流路とスペーサ簡略模擬した矩形突起から成る。解析では、流路入口に液膜厚さとその流速及び蒸気流速を与え、時間方向に進展する液膜流挙動を非加熱等温流条件に対して定量的に調べた。計算に使用した入力値は低減速スペクトル炉の炉心出口近傍の条件を模擬した。解析の結果、突起後端から発生するはく離線に沿ってウエークが形成され、ここでは強い乱れによって液膜が排除され、ほぼ蒸気で満たされることがわかった。この結果から、加熱時には突起後方に十分な冷却を期待できない領域の存在が予測された。また、流れ方向に突起を一定間隔で設置する場合には、前方の突起で発生したウエークが後方の突起に順次影響するため、突起の配置を十分検討する必要がある。今後は、突起形状,加熱時の沸騰流,乱流構造等に及ぼす突起の影響を明らかにする考えである。

報告書

REACT-Mod: U-Pu-Np-Tc-硝酸水溶液系化学反応の過渡計算モデル

館盛 勝一; 北村 竜明*

JAERI-Data/Code 96-030, 116 Pages, 1996/10

JAERI-Data-Code-96-030.pdf:2.45MB

様々な原子価のウラン、プルトニウム、ネプツニウム、テクネチウム等が共存する硝酸水溶液系において進行する化学反応:酸化・還元反応、放射線化学反応、不均化反応(全部で68種)を、速度論的に追跡するシミュレーションコード:REACT-Modを開発した。ここで採用した数値解法は、速度式の常微分方程式を修正Porsing法で解く純速度論モデルと部分平衡論(Two step modelによる)モデルがあり、前者のみに硝酸水溶液の放射線化学反応式(27個)が組込んである。計算実行時にどちらのモデルを使うかを選択する。この報告書は、REACT-Modのモデルの概要や内容の説明のみならず、プログラム利用者への手引きをも兼ねている。

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