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論文

Development of an evaluation methodology for the natural circulation decay heat removal system in a sodium cooled fast reactor

渡辺 収*; 大山 一弘*; 遠藤 淳二*; 堂田 哲広; 小野 綾子; 上出 英樹; 村上 貴裕*; 江口 譲*

Journal of Nuclear Science and Technology, 52(9), p.1102 - 1121, 2015/09

 被引用回数:8 パーセンタイル:28.16(Nuclear Science & Technology)

自然循環崩壊熱除去系を採用した1500MW出力ナトリウム冷却高速炉(SFR)の安全性を確保するための自然循環評価手法を開発した。この評価手法は、炉心温度平坦化を考慮して炉心最高温度を評価できる1次元安全解析、1次系と崩壊熱除去系の局所的な流れや温度成層化を評価できる3次元流動解析、統計的安全評価手法から構成される。1次元及び3次元解析手法の妥当性をSFR1次冷却系の1/10スケール水試験と1次系及び崩壊熱除去系の1/7スケールナトリウム試験の結果を用いて確認し、1次元安全解析手法のSFR実機評価への適用性を乱流モデルが組込まれた3次元解析の結果との比較によって確認した。最後に、1次元安全解析手法を用いてSFR実機を対象とした統計的安全評価を実施した。

論文

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

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。

論文

高速炉におけるガス巻込み現象の防止基準,2; ガス巻込み発生判定手法の提案

大島 宏之; 江口 譲*; 功刀 資彰*; 上出 英樹; 堺 公明; 伊藤 啓

日本原子力学会和文論文誌, 11(4), p.329 - 339, 2012/12

ナトリウム冷却高速増殖炉の安定運転のためには、ガス巻込み発生を許容レベル以下に抑制する必要があり、設計検討において、ガス巻込み発生を精度よく評価できる手法が必須である。本研究では、流速分布(速度勾配テンソル)に基づいて渦流れの抽出やガス巻込み評価パラメーター(ガスコア長さなど)の計算を行う手法の提案を行う。加えて、実験結果の分析に基づき、渦によるガス巻込み発生を防止するための基準を先の評価パラメーターを用いて構築し、実際に適切な評価結果が得られることを示す。

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圧力変動発生メカニズムに関する考察

村上 貴裕*; 江口 譲*; 田中 正暁; 山野 秀将

日本機械学会論文集,B, 78(792), p.1388 - 1391, 2012/08

ナトリウム冷却型大型高速炉(JSFR)の概念設計では、一次冷却系に大口径ショートエルボ配管が採用され、その配管内流動によってショートエルボ部において周期的な圧力変動が生じる。しかしながら、周期的な圧力変動のメカニズムは明らかにされていない。そこで、本論文では、数値解析結果における動的な流動構造の可視化に基づいたショートエルボ配管内の周期的な圧力変動メカニズムを明らかにするため、有限要素法のラージ・エディ・シミュレーション(LES)の非定常3次元解析を実施した。

論文

A Finite element LES for high-${it Re}$ flow in a short-elbow pipe with undisturbed inlet velocity

江口 譲*; 村上 貴裕*; 田中 正暁; 山野 秀将

Nuclear Engineering and Design, 241(11), p.4368 - 4378, 2011/11

 被引用回数:8 パーセンタイル:39.06(Nuclear Science & Technology)

この論文ではショートエルボ配管内の高レイノルズ数流動のためのラージ・エディ・シミュレーション(LES)を扱う。ショートエルボは先進ループ型ナトリウム冷却高速炉(JSFR)の1次配管系での使用が検討されている。${it Re}$=1.2$$times$$10$$^{6}$$で入口境界で乱流が起きないエルボ配管流動を対象に、1/3縮尺による水試験で観察された流動と比較してLESの基本性能を調べた。なお、比較に用いた水試験では配管入口で小規模な乱流が生じる。計算条件の設定には特に注意を払い、理論考察を行い、配管流動の模擬に適切なメッシュ細分となるようにした。乱流モデル(スマゴリンスキーモデル,WALEモデル)の効果、及び入口速度分析結果について論じる。圧力変動のしくみと流体力の発生についても、スペクトル分析と重要な流動量の可視化を用いて論じる。

論文

Improvement of gas entrainment prediction method; Introduction of surface tension effect

伊藤 啓; 堺 公明; 江口 譲*; 文字 秀明*; 大島 宏之; 内堀 昭寛; Xu, Y.*

Journal of Nuclear Science and Technology, 47(9), p.771 - 778, 2010/09

 被引用回数:11 パーセンタイル:33.45(Nuclear Science & Technology)

ナトリウム冷却大型炉(JSFR)の設計成立性を判断するため、ガス巻込み発生予測手法の開発を行っている。本論文では、ガスコア長さの評価精度向上のため、重力,遠心力及び表面張力の力学的釣合い式に基づいて表面張力効果の導入を行った結果について述べる。高精度化した手法の検証として単純体系における実験を対象とした評価を行った結果、表面張力効果によってガスコア長さが減少し、実験結果とよく一致した。また、温度や界面活性剤濃度を変化させた実験結果についても、高精度手法を用いることで再現できることを明らかにした。

論文

大型ナトリウム冷却高速炉(JSFR)の自然循環崩壊熱除去に関する試験研究

上出 英樹; 宮越 博幸; 渡辺 収*; 江口 譲*; 古賀 智成*

日本機械学会論文集,B, 76(763), p.460 - 462, 2010/03

大型ナトリウム冷却高速炉の実用化を目指し、完全自然循環方式の崩壊熱除去システムについて、試験と解析を組合せた研究開発を進めている。試験では1次主冷却系の自然循環に関する縮尺水試験,崩壊熱除去系と中間熱交換器に挿入する崩壊熱除去用冷却器の自然循環と伝熱特性に関する部分モデルナトリウム試験を実施している。ナトリウム試験では、すべての系統が自然循環となる崩壊熱除去系の2次側ナトリウム系統、空気冷却器空気側の待機運転から起動時のスムーズな自然循環流量の立ち上がりを確認した。

論文

Unsteady hydraulic characteristics in large-diameter pipings with elbow for JSFR, 2; Studies on applicability of a Large-Eddy Simulation to high ${it Re}$-number short-elbow pipe flow

江口 譲*; 村上 貴裕*; 田中 正暁; 山野 秀将

Proceedings of 13th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-13) (CD-ROM), 14 Pages, 2009/09

JSFR設計において、ショートエルボ内の流体運動により発生すると考えられる非定常流体力は評価する必要があるため、本論文では、内作のLESコードを使用して高レイノルズ数水質試験に対するラージ・エディ・シミュレーション(LES)法の適用性を研究している。第一に、高レイノルズLES計算時のメッシュ細分要件は理論上研究されている。そして、各種の入口,出口境界条件が${it Re}$=1.2$$times$$10$$^{6}$$の場合、スマゴリンスキーモデル及びWALE(Wall-adapting local eddy-viscosity)モデルを使用して乱流モデルの影響,バウンダリ条件を数値的に調べる。入口速度の分析結果では、エルボ曲線の分離機能上考慮すべき衝撃があり、また現在の計算によれば、エルボと出口間の距離が必要以上に短いと、出口バウンダリ条件は分離機能上の影響を特に受けやすいことが明らかになった。圧力及び壁効力変動の基礎機能もコンピュータによる視覚化,スペクトル分析を活用して検討する。

論文

大型ナトリウム冷却高速炉(JSFR)の自然循環崩壊熱除去に関する試験研究

上出 英樹; 宮越 博幸; 渡辺 収*; 江口 譲*; 古賀 智成*

第14回動力・エネルギー技術シンポジウム講演論文集, p.427 - 428, 2009/06

大型ナトリウム冷却高速炉の実用化を目指し、完全自然循環方式の崩壊熱除去システムについて、試験と解析を組合せた研究開発を進めている。試験では1次主冷却系の自然循環に関する縮尺水試験,崩壊熱除去系と中間熱交換器に挿入する崩壊熱除去用冷却器の自然循環と伝熱特性に関する部分モデルナトリウム試験を実施している。ここでは、ナトリウム試験の成果を中心に、すべての系統が自然循環となる崩壊熱除去系の2次側ナトリウム系統,空気冷却器空気側の待機運転から起動時の過渡特性,熱交換器の伝熱特性など、試験結果を報告する。

論文

Study on flow-induced-vibration evaluation of large-diameter pipings in a sodium-cooled fast reactor, 2; A Large-Eddy Simulation of turbulent flow in a short-elbow pipe

江口 譲*; 村上 貴裕*; 大島 宏之; 山野 秀将; 小竹 庄司

Proceedings of 6th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-6) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2008/11

JSFRで使用されるショートエルボ配管における非定常乱流を計算し、その流動の基本的な特徴、特に配管に与える非定常流体力を引き起こす圧力変動を調べた。FEMをベースにした乱流シミュレーションコードSMART-femをその計算に用いた。Re=3.2$$times$$10$$^{5}$$と1.2$$times$$10$$^{6}$$における結果として、エルボ腹側の45度と90度近傍に2つの流動剥離領域が存在することを示した。圧力変動の統計量、すなわち標準偏差,歪度,尖度を求め分析したところ、エルボ腹側での管壁への有意な圧力変動は2つの対象領域にあることが示された。エルボ配管の圧力損失係数は本計算,実験及び参照データ間でよく一致することがわかった。

論文

Improvement of gas entrainment evaluation method; Introduction of surface tension effect

伊藤 啓; 江口 譲*; 文字 秀明*; 大島 宏之; 内堀 昭寛; Xu, Y.*

Proceedings of 6th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-6) (USB Flash Drive), 8 Pages, 2008/11

前回の会議(NTHAS5)にて提案したガス巻込み評価手法は、数値解析結果から得られる局所瞬時の値を伸長渦理論に適用することで、ガスコア長さを効率的に予測することが可能である。しかし、表面張力効果を無視しているため、ガスコア長さが過大評価されている可能性がある。本研究では、表面張力モデルの構築とガス巻込み評価手法への組込みを行い、ガスコア長さ予測精度の向上を図る。表面張力モデルの構築においては、重力,遠心力及び表面張力の力学的釣合い式を導出し、ガスコア先端形状を2次関数近似することで曲率を求め、ガスコア長さを算出する手法を導いた。改良ガス巻込み評価手法を用いて基礎実験体系におけるガスコア長さの予測を行った結果、従来手法よりも短いガスコア長さが評価され、実験結果との一致性が向上した。さらに、改良手法を用いることで、温度や表面張力係数が変化する場合の実験結果を再現することができた。

論文

Proposal of design criteria for gas entrainment from vortex dimples based on a computational fluid dynamics method

堺 公明; 江口 譲*; 文字 秀明*; 伊藤 啓; 大島 宏之

Heat Transfer Engineering, 29(8), p.731 - 739, 2008/08

 被引用回数:27 パーセンタイル:21.94(Thermodynamics)

本論文では、くぼみ渦によって引き起こされる二種類のガス巻込み現象に関して数値解析手法を用いた評価を行い、高速炉自由液面からのガス巻込み現象に対する設計基準の提案を行う。一つ目のガス巻込み現象は、ガスコアが直接流出口まで伸長するものであり、一度に多くのガスが巻込まれる。二つ目はガスコア先端からの連続した気泡離脱である。自由液面渦に関する基礎実験体系を対象とした数値解析によって局所的な数値解析的無次元数を定義し、設計におけるガスコア防止基準値として用いた。その結果、数値解析的無次元数はガスコア防止設計の基準値として有用であることが明らかになった。

報告書

「数値解析による自由液面からのガス巻込み評価指針」の解説, 解説B(協力研究)

大島 宏之; 堺 公明; 上出 英樹; 木村 暢之; 江連 俊樹; 内堀 昭寛; 伊藤 啓; 功刀 資彰*; 岡本 孝司*; 田中 伸厚*; et al.

JAEA-Research 2008-049, 44 Pages, 2008/06

JAEA-Research-2008-049.pdf:42.3MB

日本原子力研究開発機構は、高速増殖炉サイクル実用化戦略調査研究の一環として、ナトリウム冷却高速炉の概念検討を進めている。実用化のためのプラントシステム概念は、経済性向上のために出力に比してコンパクトな炉容器を指向している。そのため、既存の概念と比較して炉容器内の流速が相対的に大きくなり、自由液面からのカバーガスの巻込みについてより精度の高い設計評価を行うことが重要となっている。そこで、大学,研究所,電力,メーカの専門家で構成するワーキンググループを設置し、ガス巻込み現象について設計で参照すべき数値解析に基づく指針案の検討を行い、得られた知見をもとに、「数値解析による自由液面からのガス巻込み評価指針」(第1次案)を策定した。本件は、指針の解説として、ワーキンググループにおいて実施した研究に関して紹介するものである。

論文

マルチスケールLES解析コードMISTRALによる旋回渦解析

江口 譲*; 大島 宏之; 堺 公明; 山口 彰*

日本原子力学会和文論文誌, 6(3), p.298 - 311, 2007/09

ナトリウム冷却高速炉の上部プレナム内自由液面でのカバーガス巻き込み現象の解析的予測には、発生する渦を正確に計算することが重要である。本研究では、マルチスケール乱流モデルの適用性を確認することを目的として、円筒容器内の回転流れに対してマルチスケールLESコードMISTRALを適用し、実験や、従来のLES手法との比較を行った。その結果、マルチスケールLESは従来のLESに比べてより正確に渦コアを再現するとともに、周方向流速分布予測も改善できることがわかった。一方、粗いメッシュ分割では周方向流速のピークがなまってしまうことから、実機適用においては別途渦モデルを導入し、渦特性を外挿する手段を用いることが現実的である。

論文

Proposal of design criteria for gas entrainment from vortex dimples based on a computational fluid dynamics method

堺 公明; 江口 譲*; 文字 秀明*; 岩崎 隆*; 伊藤 啓; 大島 宏之

Proceedings of 5th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-5), p.406 - 413, 2006/11

高速炉内の自由液面においてくぼみ渦が誘起する2種類のガス巻込み現象に関して、数値解析(CFD)手法を用いたガス巻込み防止設計基準の検討を実施した。1種類目のガス巻込み現象は、ガスコアが出口配管まで伸長されることによって発生し、比較的大量のガスが系統内に吸込まれる。もう1つは、ガスコア先端から継続的に気泡が離脱することによって発生する。自由液面のくぼみ渦に関する基礎試験を対象としたCFD結果に基づき、ガス巻込み防止設計基準を判定するための値として、局所的なCFD無次元数を定義した。その結果、CFD無次元数は、設計においてガス巻込み発生の有無を評価するために有用であることが明らかになった。

論文

Study on the gas entrainment design method by CFD data on steady cylindrical systems for a sodium-cooled reactor

堺 公明; 文字 秀明*; 江口 譲*; 岩崎 隆*; 大島 宏之

Proceedings of 2006 International Congress on Advances in Nuclear Power Plants (ICAPP '06) (CD-ROM), 7 Pages, 2006/06

ナトリム冷却炉の液面からのガス巻込みに対する設計手法を検討した。本研究は、コンピュータ数値解析による設計手法を開発するために試行したものであり、円筒形タンク内でのくぼみ渦を対象として実施した。数値解析結果は、実験で測定された速度分布を精度よく予測するとともに、数値解析結果を用いた無次元数によって、ガス巻込み判定マップが作成可能であることが明らかになった。

報告書

ガス巻込みに関する流動数値解析; 有限要素法の適用性評価

江口 譲*

JNC-TJ9400 2005-003, 87 Pages, 2005/07

JNC-TJ9400-2005-003.pdf:14.52MB

本研究は、ナトリウム冷却高速炉の炉容器内自由表面でのカバーガス巻込み現象を予測するための流動解析手法の評価に関するものであり、特に、有限要素法の先進的手法の一つである弱形式に基づくマルチスケール法(VMS法)を調査した。調査では、電力中央研究所で開発した非VMS乱流解析コードSMART-femとVMS乱流解析コードMISTRALを用いてガス巻込みを伴う2種類の流動問題を解析し、各数値モデルの適合性と解析コードの現象再現性を評価した。 まず、円筒容器内の旋回流(ベンチマーク問題)を対象としたVMS解析結果と昨年度実施した非VMS解析結果から、以下の知見を得た。(1) VMS法を用いた解析では、渦近傍の急峻な流速変化を非VMSに比べて精度良く再現でき、周方向流速のピーク値は概ね2倍となるが、何れの方法でも実験値と比べると小さい。(2) 渦強度の目安となる第2不変量分布をVMS法で計算したところ、その半値幅(第2不変量の最小値の1/2となる渦半径)は非VMS法で得られるものと大きな差異はない(窪み深さの評価量も非VMS法のもの同程度となる)ことが判明した。(3) 第2不変量がゼロとなる渦半径は、VMS法で得られるものが、非VMS法で得られるものに比べると妥当な値となるが、この渦半径から計算される窪み深さの評価量は、実験値に対して非保守的な結果となる。 さらに、今年度から実施中の開水路吸込み流(詳細実験問題)を対象とした非VMS解析から、以下の知見を得た。(4) メッシュ分割が不足している領域では波長2Dxの流速振動が発生するので、適正な流動評価を行うには適切なメッシュ分割が必要となる。(5) 第2不変量分布は渦発生が予測される中心部分で負となり、その周囲が正となることが示され、この分布特性は円筒容器内の旋回流(ベンチマーク問題)で見られたものと整合する。 今後は、開水路吸込み流(詳細実験問題)の解析結果を非定常特性に着目して分析し、準定常的な円筒容器内の旋回流(ベンチマーク問題)との相違を明らかにするとともに、開水路吸込み流(詳細実験問題)などの非定常渦問題に対するVMS法の適用性を検討する必要があるものと考えられる。

報告書

定常くぼみ渦に関するガス巻込み判定手法の検証解析

堺 公明; 岩崎 隆*; 江口 譲*; 大島 宏之

JNC-TN9400 2004-017, 79 Pages, 2004/04

JNC-TN9400-2004-017.pdf:1.83MB

本研究は、自由液面のくぼみ渦によるガス巻込み現象について、数値解析と伸長渦理論の組合せによる判定手法を提案するものである。その一環として、特に、従来、多くの実験データが取得されている自由液面の定常なくぼみ渦に対する適用を行い、その予測性について検証解析を実施した。その結果、数値解析による下降流速勾配と循環を用いて、伸長渦理論により算出したガスコア長さは、試験結果のガスコア長さを保守的に予測することが明らかになった。また、ガス巻込み発生条件として、ガスコア長さを50mmとした場合、定常くぼみ渦によるガス巻込みの発生を概ね予測可能である見通しが得られた。

報告書

ガス巻込み現象数値解析に関する研究

江口 譲*

JNC-TJ9400 2004-005, 67 Pages, 2004/02

JNC-TJ9400-2004-005.pdf:11.23MB

ナトリウム冷却高速炉の炉容器内自由液面(自由表面)からのカバーガス巻き込み現象評価に適切な数値解析モデルを調査するとともに、実機複雑流路形状への適用性および現象再現性が高いと考えられる有限要素法乱流解析モデルを構築した。また、円筒内ガス巻き込み実験のベンチマーク解析を実施し、その適用性を確認した。

論文

Numerical Analysis of Gas Core Length Prediction in a Steady Free Surface Vortex

堺 公明; 江口 譲*; 岩崎 隆*; 大島 宏之; 山口 彰

Proceedings of 4th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-4), p.171 - 178, 2004/00

数値解析によるガス巻込み評価の可能性を検討するため、定常くぼみ渦のガスコア長さ予測に関する数値解析を実施した。3次元数値解析結果に伸長渦理論を適用して予測したガスコア長さについて既往試験データと比較するとともに、ガス巻込みの発生とガスコア長さの関係について評価した。その結果、数値解析によるガス巻込み評価について見通しが得られた。

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