高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,1; 数値解析によるガス巻込み現象再現精度の検証

大島 宏之; 田中 伸厚*; 江口 譲*; 西村 元彦*; 功刀 資彰*; 内堀 昭寛; 伊藤 啓; 堺 公明

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.316 - 328, 2012/12

https://doi.org/10.3327/taesj.J11.047

ナトリウム冷却高速炉の安定運転において、自由表面渦によるガス巻込みの防止が重要であるため、著者らはCFDに基づくガス巻込み評価手法の開発を行っている。本研究では、ガス巻込み解析を行うためのCFD手法に関する検討を行った結果、ガス巻込み現象の適切な数値解析を行うためには、十分な格子解像度、高精度離散化手法、過度に渦を減衰させない乱流モデルなどが必要であることを明らかにした。

ガス巻込みに関する流動数値解析; 差分法の適用性評価

西村 元彦*; 野中 嘉治*; 前川 勇*

JNC TJ9400 2005-002, 55 Pages, 2005/07

JNC-TJ9400-2005-002.pdf:74.29MB

実用化戦略調査研究において検討されているナトリウム冷却炉は原子炉容器のコンパクト化がはかられている。このため、これまでの炉に比べ冷却材流速が増大することから、自由液面から冷却材中にカバーガスを巻込まない設計とその予測手法の確立が強く要請されている。本件は、設計で遵守すべきガス巻込みの判定基準の策定に寄与するため、計算科学的手法をベースとした流動評価手法を確立することを目的として、ガス巻き込みの解析手法の構築および既往実験を元に詳細実験解析を実施するものである。 既往実験としては、矩形流路の中に角柱の障害物が存在ししかもその下流にはやはり矩形で模擬された吸込み管を設置した体系が用いられた。角柱によってカルマン渦が発生し、その中のあるものは吸込み管に吸収されガス巻き込み渦を形成する非定常現象を対象としている。 今回の数値解析では、乱流モデルの影響に注目した。層流モデル、標準k-モデル、RNG k-モデル、非線形k-モデルおよびk-モデルの5ケースを実施した。得られた結果は以下のとおりである。 1)カルマン渦の成長、流速と圧力変動および変動のピーク値の大きさ等を 比較すると、層流モデルがもっとも激しい変化、変動の大きい結果を示 し、RNGモデルが層流モデルに近い変動を示しランダム性も見ることが出 来た。 2)一方、k-モデル、非線形k-モデル、標準k-の順で流れの変動がより 減衰し規則的なおとなしい流れになっている。 3)今後、実験結果と詳細な比較検討が求められるが、渦の予測に対する乱 流モデルの適用性に関し定量的なデータが得られ、既往のCFDコードの適 用性に関する知見が蓄積できた。なお、解析はSTAR-CDコードを使用した。

ガス冷却高速炉の熱流動に関する検討

大島 宏之; 西村 元彦*

JNC TN9400 2002-072, 97 Pages, 2002/08

JNC-TN9400-2002-072.pdf:3.85MB

サイクル機構では、将来の高速炉の実用化像を構築することを目的として、実用化戦略調査研究(FS)を実施している。本報告は、FSで検討中の炉型候補概念のうちガス冷却高速炉を対象とし、ヘリウムガス冷却炉で検討されている被覆粒子型燃料について、また、炭酸ガス炉で検討されている重力落下式崩壊熱除去システムについて、それぞれの設計成立性を解析的に検討したものである。 ヘリウムガス冷却の被覆粒子燃料体に関する熱流力特性解析評価では、平成13年度設計案をベースに3次元解析モデルを構築し、多次元熱流動解析コードAQUAを用いて、定格運転条件、低流量運転条件、事故条件での熱流力特性解析、および被覆粒子燃料層入口面の圧損不均一の影響確認解析を実施した.これらの解析結果より、燃料層入口面の均一性が保たれる限り、いずれの条件においても燃料層内横方向流れは維持され除熱性能は確保できるものと判断される。但し、高圧条件において異常な低流量(O.5%以下)となる場合は、被覆粒子層内に上昇流が発生し温度が上昇することも完全には否定できないため、より正確な物性値・圧力損失相関式を取得し確認解析を行う必要がある。本解析に併せて、局所閉塞事象の考察および今後の設計の進展に伴い解決すべき熱流動的課題の摘出も行った。 炭酸ガス冷却炉の崩壊熱除去特性に関する解析評価では、炭酸ガス冷炉EGCRを対称として、貯水タンクから蒸気発生器(SG)への重力落下注水方式による崩壊熱除去時の熱流動特性を、一次元核-熱流連成ネットワークコードMR-Xにて解析評価した。解析では、自然循環崩壊熱除去時のSG隔離開始時刻、注水開始時刻および注水流量をパラメーターとし、除熱挙動に及ぼす影響を検討した。その結果、現実的想定条件としたSG隔離開始30秒、注水開始20分とした場合には余裕を持って燃料温度制限目安を満足した。また、EGCRでは、SG伝熱管の大きな熱容量が過渡時の除熱源となり、SG隔離開始時刻が60分を超える場合でも一次系内の加熱を防止する役割を担うことが明らかとなった。流動安定性については、流量逸走は生じないものの密度波振動が発生し流量変動が生じる見通しである。この振動周期は10分オーダーと長いため伝熱管の構造健全性への大きな影響は無いものと予想される。

Study on Convective Mixing for Thermal Striping Phenomena -Experimental Analyses on Mixing Process in Parallel Triple-Jet and Comparisons between Numerical Methods.

木村 暢之; 西村 元彦; 上出 英樹

9th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-9), (4), 0 Pages, 2001/00

高速炉において、温度の異なる流体が混合することにより発生するサ-マルストライピング現象を定量的に評価することは、構造健全性の担保および構造設計の合理化の上で重要である。本研究では、中心に低温噴流、その両側に高温噴流を配置した平行三噴流水試験に対して、乱流モデルをパラメ-タとした3種類の数値解析を実施し、模擬性を比較・評価した。本解析は、有限差分法に基づく多次元熱流動解析手法を適用して実施した。使用した乱流モデルは、k-2方程式乱流モデル(k-Model)および低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデル(LRSFM)である。さらに、乱流モデルを使用しない直接シミュレ-ション(DNS)を実施した。その結果、DNSは噴流間の流体混合により発生する温度変動の強度を良好に再現できることが明らかとなった。k-ModelとLRSFMは温度変動強度を過大評価していた。また、LRSFMとDNSは、噴流の振動により発

サーマルストライピング現象における流体内混合に関する研究; 平行三噴流間混合過程の数値解析と手法間の比較

木村 暢之; 三宅 康洋*; 西村 元彦; 上出 英樹

JNC TN9400 2000-099, 71 Pages, 2000/03

JNC-TN9400-2000-099.pdf:3.79MB

高温と低温の流体の混合により発生する温度変動が、構造材に高サイクル熱疲労をもたらす現象(サーマルストライピング現象)を定量化することは重要な課題である。本研究では、中心に低温噴流、両側に高温噴流を配置した平行三噴流水試験に対して、有限差分法に基づく多次元熱流動解析を実施し、模擬性を比較・評価した。多次元熱流動解析は、乱流挙動の取り扱いをパラメータとし、乱流モデルを使用したk-2方程式乱流モデル(k-Mode1)、低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデル(LRSFM)と、乱流モデルを使用しない直接シミュレーション(DNS)による3種類を実施した。実験では、流体の巻き込みを伴う周期的な噴流の振動(2Hz)がみられ、この振動が流体混合に大きな寄与をしていることが明らかになっている。k-Modelでは、この噴流の振動は模擬できないが、LRSFMおよびDNSでは実験と同様な噴流の振動を再現できることが明らかとなった。位相平均を用いて、温度の時間変動を周期成分とランダム成分に分離して実験と比較すると、k-Modelではランダム成分を、LRSFMでは周期成分をそれぞれ過大評価していることがわかった。一方、DNSにより得られた温度変動の周期成分とランダム成分の割合は実験とほぼ一致していることがわかった。DNSにより噴流間の流体混合現象として、噴流の周期的振動とそれに伴う温度変動、これに重畳したランダムな変動成分ともによく再現できることが確認できた。乱流モデルを用いた解析では、LRSFMを用いることにより、構造への熱荷重に感度の高い低周波数の周期的な変動についてはよく再現できることがわかった。

「原子炉熱流動の微視的シミュレーション」第3.1.1項 単相流

村松 壽晴; 西村 元彦

日本原子力学会誌, 42(3), p.1242 - 1259, 2000/00

原子力分野で利用されている単相流解析モデルの内、乱流モデル化手法に焦点をあて、各手法の特徴・利用の現状などについて参考文献をあげながら概説する。対象とした乱流モデル化手法は、時間平均モデル、大渦モデル(LES)、直接解析(DNS)である。

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。

多次元熱流動解析のポスト処理システムの構築

三宅 康洋*; 中根 茂*; 西村 元彦; 木村 暢之

JNC TN9400 2000-016, 40 Pages, 1999/12

JNC-TN9400-2000-016.pdf:3.71MB

従来、多次元熱流動解析コードを用いた解析結果の可視化については2次元のプロットを各断面毎に日本語ラインプリンタ(NLP)へ出力することで対応していた。しかし、現象を把握するためには非常に多くのプロットを出力する必要があることから、時間と手間がかかり、解析結果を即座に確認することができなかった。また、出力結果は白黒描画であることから、視覚的に現象を把握するのが困難であった。そこで、熱流動現象の可視化ツールとして学術界および工業界で信頼性の高いMicroAVS(参考文献)およびFieldView(参考文献)を導入し、短時間で、かつ効率的に説得力のある解析結果の表示を得ることを目的として、多次元熱流動解析コードから可視化ツールへの物理データの引き渡しを行うポスト処理システムを構築した。その結果、これまで紙面上でしか確認できなかった解析モデル構造および解析結果をパソコン画面上で容易かつ迅速に確認できるようになった。さらに、カラー表示・印刷が可能となり、報告書等に掲載するプロットに品質の高い説得力のある表示(画像)を扱うことができるようになった。また、過渡熱流動現象解析に対して、可視化ツールのアニメーション機能を用いて現象の時間推移を動画で確認できるようになり、過渡現象を視覚的にとらえることが可能となった。

可視化画像による流速測定技術の開発; ノイズ処理手法を用いた計測精度の向上

木村 暢之; 三宅 康洋*; 西村 元彦; 上出 英樹; 菱田 公一

JNC TN9400 99-078, 44 Pages, 1999/10

JNC-TN9400-99-078.pdf:1.91MB

高速炉設計において、炉内熱流動現象を定量的に把握するための速度場の計測手法として、瞬時2次元空間の速度ベクトルを時々刻々と測定できる粒子画像流速測定法(PIV)が活用されている。PIVは、流動場に混入された粒子にレーザー等でシート状のパルス光を照射して、カメラ等で粒子群を微小時間間隔で2枚撮影し、この2枚の画像の空間相関を求めることにより流速を定量化する手法である。本手法により正確な流速を得るためには流れと共に移動している粒子のみを画像に収録する必要がある。しかしながら実際には、構造物や撮影窓上のゴミ等(以下、ノイズとする)が画像中に存在し、流速計測の精度低下の原因となっている。そこで、PIVによる計測精度向上を図るため、ノイズ除去手法の開発、および誤差評価を実施した。開発したノイズ処理法は、時間的に連続する画像の各ピクセルの時間平均した輝度値を各時刻の画像から減算する時間平均輝度減算法(TIS法)と、連続画像の各ピクセルの最小輝度値を各時刻の画像から減算する最小輝度減算法(MIS法)の2種類である。本ノイズ処理手法による計測精度評価は、数値解析を基に作られた標準画像に模擬ノイズを付加した画像を用いて実施した。流速計測精度に関して、ノイズ処理前の画像から求めた流速は、誤差1ピクセル以上の頻度が全体の90%程度であるのに対し、ノイズ処理を施した結果、同程度の誤差の頻度は5%以下に低減した。また、ノイズ処理後は全体の50%以上が0.2ピクセル以内の誤差に収まることが確認された。不確かさ解析を行った結果、計測精度はノイズ処理により312倍向上し、MIS法を用いた場合は、TIS法と比べ、計測精度が1.12.1倍向上することが確認された。本ノイズ処理手法を実際の試験に適用した結果、複雑な体系内での流況把握や構造物近傍での流速測定が可能となることを確認した。

インターラッパーフロー自然循環水流動可視化実験; ボタン型ラッパー管パッド形状における試験および解析結果

安田 明洋; 宮越 博幸; 林 謙二; 西村 元彦; 上出 英樹; 菱田 公一

JNC TN9400 99-072, 70 Pages, 1999/04

JNC-TN9400-99-072.pdf:7.29MB

高速炉の自然循環崩壊熱除去時において、上部プレナムに浸漬された崩壊熱除去用の炉内冷却器(Direct Heat Exchanger,以下DHX)から流出する低温のナトリウムが炉心燃料集合体ラッパー管の間に形成されたギャップ部に流入し、燃料集合体をラッパー管の外側から冷却する現象{インターラッパーフロー(IWF)}が注目されている。これまでに7体の集合体により炉心を部分的に模擬したナトリウム試験体によりその温度場の特性を中心に明らかにしてきた。本研究では、炉心全体でのIWFの流動特性に着目し、径方向反射体を含めて炉心を模擬した水流動試験装置TRIF(Test Rig for Inter-wrapper Flow)を用いて可視化を中心とする試験を実施した。試験体の模擬ラッパー管は、透明アクリル、透明ガラスヒーター等の部材で構成されており、六角断面のラッパー管に挟まれた複雑な流路をもつIWFに対して、流況可視化による流速計測技術の適用が可能となっている。IWFに対して大きな影響を及ぼすと考えられるラッパー管同士のクリアランスを確保するためのパッド形状は、本報では「常陽」やPHENIXで採用されているボタン型とした体系を対象として、温度分布測定、流況可視化を行った。また、上部プレナムと炉心槽とをつなぐ流路などを設け、炉心周りの形状をパラメータとした。本実験により、IWFのフローパターンを明らかにすると共に、流れの可視化画像処理による速度分布の定量化を行った。また、ボタン型スペーサーパッドの体系ではパッド部を通り抜ける流れが支配的となり、炉心槽内の温度分布に対して、炉心周辺の幾何形状パラメータの変更による顕著な影響はないことが明らかとなった。IWFに関する解析手法の検証として流体の体積占有率と障害物(ここではラッパー管)から受ける流動抵抗を用いて複雑な流れを模擬するポーラスボディモデルを用いた多次元熱流動解析の適用性を評価した。解析は、実験のフローパターンを再現すると共に、温度分布についても予測可能であることが確認できた。