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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:4 パーセンタイル:14.83(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

Rehearsal and actual measurement of Fugen spent fuel assemblies by integrated PNAR and SINRD under the JAEA-USDOE collaboration program

林 健太; 中村 孝久; 高城 久承; 堀江 薫; 中山 保; 橋本 和彦; 林 省一; 中村 信二; 竹中 茂樹; 石塚 信男; et al.

Proceedings of INMM 54th Annual Meeting (CD-ROM), 10 Pages, 2013/07

新型転換炉ふげんは福井県敦賀市にある重水減速沸騰軽水冷却型原子炉の原型炉である。ふげんは2003年3月に運転を終了し、現在は廃止措置(解体)段階にあるが、その使用済燃料貯蔵プールにはMOX及びUO$$_{2}$$の使用済燃料が存在する。ふげんは原型炉であることから、使用済燃料貯蔵プールでの燃料取扱には柔軟性があり、使用済燃料にかかわる各種の測定試験を行うことができる。そのような特徴を活かして、JAEAとU.S.DOE(LANL)は、統合PNAR・SINRD装置によるPu量の非破壊測定試験を2013年6月末より実施する。本発表では、JAEA/USDOE共同研究PAS24において、ふげんで実施したPu-NDA装置(統合PNAR+SINRD)によるふげん使用済燃料の実測定及び、事前に実施したリハーサルの試験結果等について報告する。

論文

Development of proposed guideline of flow-induced vibration evaluation for hot-leg piping in a sodium-cooled fast reactor

堺 公明; 山野 秀将; 田中 正暁; 小野 綾子; 大島 宏之; 金子 哲也*; 廣田 和生*; 佐郷 ひろみ*; Xu, Y.*; 岩本 幸治*; et al.

Proceedings of 15th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-15) (USB Flash Drive), 13 Pages, 2013/05

流動励起振動評価手法の開発は、手法の検証に旋回流と偏流条件を含む高レイノルズ数条件の個別効果実験データ利用できるというマイルストーンに達した。一方、技術基準はナトリウム冷却高速炉の設計者向けに文書化することが好ましい。このような背景から、JSFRホットレグ配管の流動励起振動設計ガイドラインが文書化された。本論文では主要な個別効果実験に基づいた流動励起振動設計手法ガイドラインとガイドラインの補足的な解釈も記述する。

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:24 パーセンタイル:75.55(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

ナトリウム冷却高速炉1次系ホットレグ配管における非定常流動場の予測

田中 正暁; 佐郷 ひろみ*; 岩本 幸治*; 江原 真司*; 小野 綾子; 村上 貴裕*; 早川 教*

日本機械学会論文集,B, 78(792), p.1392 - 1396, 2012/08

ショートエルボを有するナトリウム冷却高速炉ホットレグ配管の設計成立性確認を目的に実施した複数の縮尺水流動試験及びレイノルズ平均モデル及びラージエディシミュレーションによる非定常流動解析、さらに一般的な曲がり管流れに関する文献調査で得られた知見をもとにして、実機ホットレグ配管における非定常流動場を予測し、実機ホットレグ配管における大スケール渦による非定常流場の形成メカニズムを明らかにした。なお、本報告は、平成23年度日本機械学会年次大会における「ナトリウム冷却高速炉1次系ホットレグ配管の流力振動評価」のシリーズ発表の一つとして発表したものを加筆修正したものである。

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

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:8 パーセンタイル:45.74(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

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。

口頭

Na冷却高速炉における大口径配管の流力振動評価に関する研究,18; コールドレグ1/7縮尺試験装置を用いたRe=10$$^{6}$$におけるシングルエルボ管内流れのPIV計測

佐藤 司*; 江原 真司*; 橋爪 秀利*; 遊佐 訓孝*; 結城 和久*; 相澤 康介; 山野 秀将

no journal, , 

Na冷却高速炉のコールドレグ・多段エルボ配管内の流動状況を明らかにするため、引き続き1/7スケールの流動試験を実施し、Re=1$$times$$10$$^{6}$$におけるシングルエルボ内の流動をPIVにより計測した。

口頭

Na冷却高速炉における大口径配管の流力振動評価に関する研究,21; 1/7及び1/15スケールシングルエルボの圧力変動計測

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

no journal, , 

Na冷却高速炉コールドレグ配管におけるエルボ内で発生が危惧される流力振動の特性について評価するため、実機を1/7スケール、及び1/15スケールで模擬した水流動試験装置においてシングルエルボ圧力変動計測試験を実施した。その結果、1/7スケール、及び1/15スケールにおいても、ストローハル数0.5の卓越周波数が確認された。この卓越周波数は、エルボ後流腹側でのみ現れることから、エルボのはく離流によって生じており、流力振動の要因となると考えられる。

口頭

Na冷却高速炉における大口径配管の流力振動評価に関する研究,24; コールドレグ1/7縮尺試験装置を用いた2段エルボ管内流れのPIV計測

江原 真司*; 橋爪 秀利*; 結城 和久*; 相澤 康介; 山野 秀将

no journal, , 

Na冷却高速炉のコールドレグ配管内複雑流動を明らかにするため、2段エルボの1/7縮尺モデルを用いた流動試験を行った。高レイノルズ数領域における剥離渦など、流力振動に影響する非定常性の強い流動場をPIV計測により評価し、また1段エルボの結果と比較することで複数エルボ効果を検証した。

口頭

PIV measurement for dual elbow flow using 1/7-scale model of cold-leg piping in a sodium-cooled fast reactor

江原 真司*; 佐藤 司*; 橋爪 秀利*; 相澤 康介; 山野 秀将

no journal, , 

ナトリウム冷却大型炉の多段エルボを有するコールドレグ配管の複雑な流動現象を明らかにするため、1/7縮尺の単エルボ及びデュアルエルボ試験体を用いた試験を実施した。高レイノルズ数領域における剥離及び剥離渦を含む流れを、PIV計測を用いて評価した。さらに、単エルボとデュアルエルボの試験結果の比較を行い、デュアルエルボ体系が、流動現象に与える影響を明らかにした。

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