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論文

U-RANS simulation of triple elbow flow with a 1/7 scale experimental loop simulating cold-leg piping of an advanced loop-type sodium-cooled fast reactor

山野 秀将; 田中 正暁; 江原 真司*; 橋爪 秀利*

Proceedings of 27th International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-27) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2016/09

本研究では、高レイノルズ数(1.0$$times$$10$$^{6}$$)条件下で、3段ショートエルボ配管流れに商用CFDコードのレイノルズ応力モデルによるU-RANSアプローチを適用した。数値計算には、3次元的に接続された3段エルボ内の流動構造を調べるため、先進ナトリウム冷却高速炉のコールドレグ配管の1/7縮尺水実験を用いた。その結果、Re=1.0$$times$$10$$^{6}$$条件下で、解析と実験の結果を比較することによって、U-RANS数値シミュレーション手法の適用性を確認した。また、シミュレーションにより、大きな渦構造の存在によって、2段エルボの流動場は1段エルボと異なり、2段エルボの圧力変動は1段エルボより大きくなることが示された。この大きな渦は2つのエルボ間距離が短いことによって発生した。一方、3段エルボの流動構造は1段エルボと同様の傾向を示しており、これは2段エルボによって形成された旋回流が2段エルボから離れている3段エルボでは緩和されているからである。

論文

Characteristics of flow field and pressure fluctuation in complex turbulent flow in the third elbow of a triple elbow piping with small curvature radius in three-dimensional layout

江原 真司*; 高村 宏行*; 橋爪 秀利*; 山野 秀将

International Journal of Hydrogen Energy, 41(17), p.7139 - 7145, 2016/05

 被引用回数:1 パーセンタイル:91.25(Chemistry, Physical)

本研究では、約1,000,000までの高レイノルズ数領域を扱う日本のナトリウム冷却高速炉のコールドレグ配管の1/7縮尺モデル試験体を含む実験装置を用いて流動可視化及び圧力測定を実施した。流れ場に関して、流動はく離が第3エルボ内側に現れた。しかしながら、そのはく離域は、第1エルボのそれより主流方向と垂直な方向には小さく、周流方向には大きかった。これは、第2エルボ下流で形成される旋回流が多少減衰しつつも第3エルボに流れ込むからであると考えられる。圧力変動試験から、エルボ下流0.0D$$sim$$0.4D(Dは配管直径)の領域において、無次元周波数であるストローハル数が約0.4で圧力変動の卓越周波数が現れることが分かった。また、出口側下流の0.75Dの領域では、ストローハル数が約0.7で弱いピークが見られた。

論文

Characteristics of flow field and pressure fluctuation in complex turbulent flow in the third elbow of a triple elbow piping with small curvature radius in three-dimensional layout

江原 真司*; 高村 宏行*; 橋爪 秀利*; 山野 秀将

Proceedings of 17th International Conference on Emerging Nuclear Energy Systems (ICENES 2015) (CD-ROM), 6 Pages, 2015/10

本研究では、約1,000,000までの高レイノルズ数領域を扱う日本のナトリウム冷却高速炉のコールドレグ配管の1/7縮尺モデル試験体を含む実験装置を用いて流動可視化及び圧力測定を実施した。流れ場に関して、流動はく離が第3エルボ内側に現れた。しかしながら、そのはく離域は、第1エルボのそれより主流方向と垂直な方向には小さく、周流方向には大きかった。これは、第2エルボ下流で形成される旋回流が多少減衰しつつも第3エルボに流れ込むからであると考えられる。圧力変動試験から、エルボ下流0.0D$$sim$$0.4D(Dは配管直径)の領域において、無次元周波数であるストローハル数が約0.4で圧力変動の卓越周波数が現れることが分かった。また、出口側下流の0.75Dの領域では、ストローハル数が約0.7で弱いピークが見られた。

論文

Influence of piping layout upon the characteristics of flow separation and pressure fluctuation in the primary cold-leg of sodium cooled fast reactor

水谷 淳*; 江原 真司*; 橋爪 秀利*; 山野 秀将

Proceedings of 10th International Topical Meeting on Nuclear Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-10) (USB Flash Drive), 12 Pages, 2014/12

本研究では、はく離及び圧力変動特性に影響を与える入口流れの影響をJSFRコールドレグ配管の1/7縮尺モックアップを使って評価した。第3エルボの流入条件は既往研究と条件を変えており、2番目と3番目のエルボ間距離を6.4D(D:配管直径)から9.4Dに変化させた。可視化実験では、第3エルボ内側ではく離が見られており、6.4Dの場合よりはく離が大きくなった。これは第3エルボ入口での旋回流が弱まったからと考えられる。圧力変動の周波数解析によれば、はく離領域ではストローハル数(St)が0.4程度で圧力変動パワースペクトル密度(PSD)のピークがみられ、その振幅は6.4Dの場合に比べて半分程度であった。また、エルボ腹側の再付着点において、St=0.6のピークが見られ、その振幅は3倍程度だった。その結果から、旋回流が弱められたことによって、はく離領域が下流側に大きくなり、圧力変動の振幅が大きくなったことが明らかになった。

論文

U-RANS simulation of elbow flow with a 1/7 scale experimental loop simulating JSFR cold-leg piping

山野 秀将; 金子 哲也*; 相澤 康介; 田中 正暁; 江原 真司*; 橋爪 秀利*

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

本研究では、商用流体力学解析コードを用いてレイノルズ応力モデルによるU-RANSアプローチを高レイノルズ数(1.0$$times$$10$$^{6}$$)条件でのシングル及びダブルエルボ流れに適用した。この数値シミュレーションにはJSFRのコールドレグ配管を模擬した1/7縮尺水試験を用いて、3次元的に接続されたダブルエルボ体系における流動状況を調べた。結果として、数値解析と試験結果との比較によって、U-RANSシミュレーション手法の妥当性と適用性を確認した。また、シミュレーションにより渦構造を含む非定常流動場は第1エルボと第2エルボでは非常に異なることが示された。これは1段エルボで生成された馬蹄渦が2段エルボに横向きに流入されるからである。さらに、シミュレーションによって本論文で扱ったダル部エルボ流れにおけるエルボ間距離の影響は小さいことが示された。

報告書

高速炉冷却系配管における流れの剥離現象に関する基礎研究; 高レイノルズ数領域におけるマルチエルボ内複雑流動構造の解明(先行基礎工学研究に関する平成20年度及び平成21年度共同研究報告書)

江原 真司*; 結城 和久*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

JAEA-Research 2013-011, 72 Pages, 2013/10

JAEA-Research-2013-011.pdf:11.34MB

東北大学では、コールドレグ配管で発生する非定常流動メカニズム及び圧力変動特性を可視化試験及び圧力測定試験により明らかにし、さらにスケール効果を調べるため、異なる縮尺モデルにおいて流動試験を実施した。平成20年度では、1/15縮尺流動試験装置において2段エルボ内の可視化試験を実施した。また、1/7縮尺流動試験装置に1段ショートエルボを設置して装置の健全性を確認し、Re=320,000に対する可視化試験に着手した。平成21年度では、1/7縮尺流動試験装置を用いて1段エルボ及び2段立体接続エルボに関する可視化試験を実施し、詳細な流れ場を観測した。これら試験データから、エルボ内流れの複数エルボ効果を検討した。加えて、1/15及び1/7縮尺試験装置を用いて1段エルボに関する圧力変動計測試験を実施し、Re数を変化させたときの圧力変動特性を計測した。これらの配管スケールの異なる試験データより、圧力変動特性へのスケール効果の影響を検討した。原子力機構では、実機設計の成立性評価に向けて解析評価手法の開発を進めている。商用熱流動解析コードSTAR-CDを用いて1/7縮尺2段エルボ流動試験解析を実施し、可視化試験結果と流速分布の傾向はおおむね一致していることを示した。本研究より、単エルボ配管体系を対象に検証してきたURANS解析手法が2段エルボ体系に適用可能なことを確認した。

論文

Effects of separation vortices on pressure fluctuation of complex turbulent flow in a dual elbow with small curvature radius in a three-dimensional layout

江原 真司*; 今野 宏章*; 橋爪 秀利*; 金子 哲也; 山野 秀将

Proceedings of 8th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-8) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2012/12

本論文では、JSFRコールドレグ配管をシミュレートし2エルボ配管での圧力変動特性を縮尺モデルによる圧力計試験を行って解明した。実験の結果、2エルボ配管での圧力変動特は第一エルボ内及び近傍の1エルボ流動と類似することがわかった。

論文

Flow visualization and frequency characteristics of velocity fluctuations of complex turbulent flow in a short elbow piping under high Reynolds number condition

高村 宏行*; 江原 真司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

Journal of Fluids Engineering, 134(10), p.101201_1 - 101201_8, 2012/10

 被引用回数:9 パーセンタイル:41.47(Engineering, Mechanical)

二次元PIVを用いて、JSFRコールドレグ配管の1/7縮尺である一段ショートエルボ配管の流動可視化実験が行われた。その目的は、高レイノルズ数での流速変動の周波数特性やエルボ腹側に現れる流動剥離に関連する微細流動場を調べことである。レイノルズ数を変えても、St=0.5の周期的な動きが剥離近傍で現れた。

論文

Flow structure of high Reynolds number flow in a dual-elbow piping simulating cold-legs of JSFR

高村 宏行*; 江原 真司*; 金子 哲也; 山野 秀将; 橋爪 秀利*

Proceedings of 15th International Symposium on Flow Visualization (ISFV-15) (CD-ROM), 10 Pages, 2012/06

2D-PIVを用いてJSFRコールドレグ配管を模擬した流動可視化実験が0.3$$times$$10$$^{6}$$$$sim$$1.0$$times$$10$$^{6}$$幾つかのレイノルズ数を変えて行われた。試験体は立体的に直管に接続された2つのショートエルボがある。2段エルボ系では単エルボのように剥離領域から剥離渦が放出される。これらの渦は第二エルボの腹側とその下流を流れる。2段エルボ流れにおける超臨界域は単管エルボ系同様レイノルズ数が約0.5$$times$$10$$^{6}$$以上で現れる。

論文

Detailed analyses of key phenomena in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors by the COMPASS code

守田 幸路*; Zhang, S.*; 越塚 誠一*; 飛田 吉春; 山野 秀将; 白川 典幸*; 井上 方夫*; 油江 宏明*; 内藤 正則*; 岡田 英俊*; et al.

Nuclear Engineering and Design, 241(12), p.4672 - 4681, 2011/12

 被引用回数:9 パーセンタイル:30.67(Nuclear Science & Technology)

2005年から開始した研究プロジェクトでナトリウム冷却高速炉(SFR)の炉心損傷事故(CDA)の重点現象を詳細解析するためにMPS法に基づいたCOMPASSコードを開発している。その着目現象とは、燃料ピン破損・崩壊,溶融プール沸騰,融体固化・閉塞挙動,ダクト壁破損,低エネルギー崩壊炉心の運動,デブリベッド冷却性,金属燃料ピン破損を含んでいる。これらの主要現象に対して、COMPASSの検証研究が進められている。この論文では、幾つかの着目現象に対するCOMPASSによる詳細解析結果をまとめた。本結果は、COMPASSコードがSFRのCDAの重要現象を理解及び解明するのに有用であることを示している。

論文

Matched refractive-index PIV visualization of complex flow structure in a three-dimentionally connected dual elbow

結城 和久*; 長谷川 駿介*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

Nuclear Engineering and Design, 241(11), p.4544 - 4550, 2011/11

 被引用回数:17 パーセンタイル:13.3(Nuclear Science & Technology)

Flow structure in a three-dimensionally connected dual elbow is visualized simulating the 1st and 2nd elbows of JSFR cold-leg piping. A matched refractive-index PIV measurement clarifies that a low-velocity region formed on the inner wall side of the 1st elbow develops toward the 2nd elbow. The velocity recovery region reaches the 2nd elbow, the geometry of the 2nd elbow has a significant impact on the characteristics of the vortex shedding in the velocity recovery region. Contrary, flow separation is inconclusive in the 2nd elbow, whereas high-velocity flow with intense velocity fluctuation is confirmed on the inner wall side. Furthermore, the unsteady vortices shed from the velocity recovery region are transferred to the central area of the 2nd elbow while growing significantly. This study shows a strong swirling flow is formed in the 2nd elbow. These flow structures are due to the distorted 1st elbow flow and the 2nd elbow shape effect.

論文

Pressure fluctuation characteristics of complex turbulent flow in a dual elbow with small curvature radius in a three-dimensional layout

今野 宏章*; 江原 真司*; 橋爪 秀利*; 山野 秀将; 相澤 康介

Proceedings of 8th International Conference on Flow Dynamics (ICFD 2011) (USB Flash Drive), p.94 - 95, 2011/11

To clarify the pressure fluctuation characteristics of the coolant in the cold-leg piping of JSFR, a pressure measurement test for a dual elbow piping was conducted. From the results, a prominent peak appeared in a profile of pressure fluctuation PSD obtained at the intrados side of the outlet of the first elbow which also appeared in a single elbow experiment. Differences between the single and dual elbow appeared about a radius and more downstream of the first elbow outlet. It was clarified that this was because of the flow near the inlet of the second elbow was largely bent and given swirling motion by the existence of the second elbow.

論文

PIV measurements of a complex turbulent flow in a short elbow piping under a high Reynolds number condition

高村 宏行*; 今野 宏章*; 江原 真司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

Proceedings of 9th International Symposium on Particle Image Velocimetry (PIV '11) (USB Flash Drive), 6 Pages, 2011/07

In this study, flow experiments are carried by using a 1/7-scale model of a cold-leg piping by means of Particle Image Velocimetry (PIV) to elucidate the flow structure in the piping. A single elbow, a dual elbow, and a triple elbow layout are used to understand the complex flow field. Cross sections perpendicular to the mean flow direction and cross sections parallel to that contain a curvature radius of the elbow are visualized minutely by the PIV measurement. We apply spectral analysis to the velocity data in time series by means of Fast Fourier Transform (FFT). We calculate the turbulent kinetic energy and the root-mean-square (rms) of the velocity fluctuations to value the turbulent intensity. As a result of the experiments of the flow cross sections, it is elucidated how the separated flow region changes depending on Reynolds number and fluctuation frequency characteristics in flow velocity in the vicinity of the separated flow region.

論文

Pressure fluctuation characteristics of complex turbulent flow in a single elbow with small curvature radius for a sodium-cooled fast reactor

江原 真司*; 青谷 雄太*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 結城 和久*; 相澤 康介; 山野 秀将

Journal of Fluids Engineering, 132(11), p.111102_1 - 111102_7, 2010/11

 被引用回数:6 パーセンタイル:54.03(Engineering, Mechanical)

先進ループ型ナトリウム冷却高速炉(JSFR)は複数エルボ配管システムを採用している。流動冷気振動(FIV)は配管中の高レイノルズ数の複雑乱流により生じると考えられている。エルボ内の乱流運動はFIVを引き起こす可能性があるが、この運動に起因する圧力変動特性を明らかにするため、単一エルボを対象とした圧力計測を行った。圧力変動特性におけるスケール効果の有無を確認するため、JSFRコールドレグ配管の模型を1/7及び1/14の二つの異なる縮尺で用意し、試験を行った。流れの分岐領域中及び下流で計測した圧力変動の各々のスペクトル密度(PSD)の分析結果には、明確なピークが、両方の縮尺模型において観測された。PSD分析結果を無次元化したところ、本研究で使用した縮尺模型もレイノルズ数さえも関係なく、非常によく一致した。

論文

COMPASS code development; Validation of multi-physics analysis using particle method for core disruptive accidents in sodium-cooled fast reactors

越塚 誠一*; 守田 幸路*; 有馬 立身*; 飛田 吉春; 山野 秀将; 伊藤 高啓*; 内藤 正則*; 白川 典幸*; 岡田 英俊*; 上原 靖*; et al.

Proceedings of 8th International Topical Meeting on Nuclear Thermal-Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-8) (CD-ROM), 11 Pages, 2010/10

本論文では、COMPASSコード開発の2009年度成果を報告する。融体固化・閉塞形成,金属燃料の共晶反応,ダクト壁破損(熱流動解析),燃料ピン破損、及びダクト壁破損(構造解析)に関する検証計算が示される。位相計算,古典及び第一原理分子動力学研究は金属燃料とスティール及び制御棒材料とスティールの共晶反応の物性を調べるために用いられた。粒子法の基礎研究やSIMMER計算もまたCOMPASSコード開発に役立った。COMPASSは、SIMMERコードで用いられている実験相関式の基盤を明らかにするものと期待される。SIMMERとCOMPASSの結合はCDAの安全評価並びに炉心設計最適化に有効になるだろう。

論文

Pressure measurement test of single elbow simulating Na cooled fast reactor cold-leg piping

江原 真司*; 青谷 雄太*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 結城 和久*; 相澤 康介; 山野 秀将

Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) (CD-ROM), 9 Pages, 2010/05

この研究では、エルボ内乱流に関連した流力振動特性についての知見を得るため、JSFRのコールドレグ配管を模擬した1/7縮尺試験ループを用いて圧力計測試験を実施した。複数エルボ配管試験の前に最初の段階として、単一エルボ配管の圧力計測を実施した。1/15縮尺実験についても同様に圧力計測を実施し、同一レイノルズ数におけるころなる配管スケールでの流れから生じる影響もまた評価した。

論文

Detailed analyses of specific phenomena in core disruptive accidents of sodium-cooled fast reactors by the COMPASS code

守田 幸路*; Zhang, S.*; 有馬 立身*; 越塚 誠一*; 飛田 吉春; 山野 秀将; 伊藤 高啓*; 白川 典幸*; 井上 方夫*; 油江 宏明*; et al.

Proceedings of 18th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-18) (CD-ROM), 9 Pages, 2010/05

2005年から開始した5年間の研究プロジェクトで、ナトリウム冷却高速炉の炉心損傷事故特有の現象を詳細解析するためにMPS法に基づいたCOMPASSコードを開発している。その特有の現象とは、(1)燃料ピン破損・崩壊,(2)溶融プール沸騰,(3)融体固化・閉塞挙動,(4)ダクト壁破損,(5)低エネルギー崩壊炉心の運動,(6)デブリベッド冷却性,(7)金属燃料ピン破損を含んでいる。これらの主要現象に対して、COMPASSの検証研究が進められている。この論文では、幾つかの特有現象に対するCOMPASSによる詳細解析結果をまとめた。

論文

Unsteady hydraulic characteristics in large-diameter pipings with elbow for JSFR, 3; Flow structure in a 3-dimentionally connected dual elbow simulating cold-leg piping in JSFR

結城 和久*; 長谷川 駿介*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 11 Pages, 2009/09

本研究では、コールドレグ部をシミュレートする三次元的に連結した二次元エルボ内の流動構造をPIV計測で可視化し、一次エルボから二次エルボまでの流動遷移,流動励起振動に影響する分離などの非定常流動の発生を細かく検討する。実験装置は、内径,曲率半径がそれぞれ56mmと1.0で実設計比15分の1スケールの試験区画である。湾曲なく視覚化するには、作動流体としてNaI溶液を使用して整合屈折率PIV計測を行う。レイノルズ数は50,000で、試験区画への流入状態は全体に乱流へ発達する。一次エルボの内壁,二次エルボ内の1つの大渦流動に沿った分離が発生することを確認する。さらに、分離領域内及び(又は)後方で形成する非定常流動は下流へ運ばれ、二次エルボ中心部へ流入する。

論文

Validation for multi-physics simulation of core disruptive accidents in sodium-cooled fast reactors by COMPASS code

越塚 誠一*; 守田 幸路*; 有馬 立身*; Zhang, S.*; 飛田 吉春; 山野 秀将; 伊藤 高啓*; 内藤 正則*; 白川 典幸*; 岡田 英俊*; et al.

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 11 Pages, 2009/09

COMPASSコードにより溶融炉心物質の分散・固化が計算され、GEYSER実験データと比較された。溶融炉心物質が配管内面を固化しながら流れていった。溶融プール挙動について、固体スティール球が固体燃料により囲まれた体系であるCABRI-TPA2実験が解析された。スティール球の溶融と沸騰を引き起こすために出力が印加された。SCARABEE-BE+3試験もダクト壁破損の検証としてCOMPASSコードにより解析された。

報告書

高速炉冷却系配管における流れの剥離現象に関する基礎研究; 高レイノルズ数領域におけるマルチエルボ内複雑流動構造の解明(先行基礎工学研究に関する平成19年度共同研究報告書)

結城 和久*; 橋爪 秀利*; 中西 繁之*; 相澤 康介; 山野 秀将

JAEA-Research 2009-017, 55 Pages, 2009/08

JAEA-Research-2009-017.pdf:16.5MB

東北大学では、コールドレグ配管で発生する非定常流動メカニズムを明らかにし、さらにスケール効果を調べるため、実機の1/15縮尺試験と1/7縮尺試験が実施される。1/15縮尺試験については、平成19年度は2段エルボ体系で試験を行った。Re数は43000であり、エルボへの流入条件は完全発達乱流である。まず、全体的な流動構造として、第1エルボの内側で剥離が発生し、第2エルボでは1つの旋回流が形成されることが確認された。また、第1エルボ剥離域の終端部近傍で発生した非定常な流動が成長しながら下流方向に輸送され、第2エルボの管中央部に流入していることを指摘した。一方、1/7試験装置は作動流体が水であり、平成19年度は大流量条件を達成するための試験装置の設計と各コンポーネントの製作を実施した。原子力機構では、実機設計の成立性評価に向けて解析評価手法の開発を進めている。平成19年度は商用熱流動解析コードFLUENTを用いて1/15縮尺流動試験解析を実施し、可視化試験結果と流速分布の傾向はおおむね一致していることが示された。

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