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木村 暢之; 三宅 康洋*; 長澤 一嘉*; 五十嵐 実; 上出 英樹; 菱田 公一
JNC TN9400 2001-132, 67 Pages, 2002/02
JNC-TN9400-2001-132.pdf:2.79MB
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温度変動が、構造材に伝達することによって、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)を定量的に評価することは重要である。本研究では、平衡三噴流水試験体系による噴流間の流体混合現象に対して、DINUS-3コードを用いた直接シミュレーション(DNS)による模擬性の評価を行った。実験では、熱伝対による温度場計測に加え、粒子画像流速計測法(PIV)による温度場計測による乱流量を求め、DNSとの比較を実施した。試験条件は、三本の噴流吐出速度を0.5m/sで同じとし、噴流間の吐出温度差は5
とした。その結課、DNSにより、時間平均温度場・速度場に対し、噴流間に形成される渦の構造を含め、実験結果を十分に再現できることが明らかとなった。また、乱流量に対しては、DNSは実験を課題評価していたが、速度変動の確率密度関数のプロファイルは、実験と解析でよく一致していた。また、DNSによる解析によって得られた速度変動の水平成分と鉛直変動の結合確率密度関数の形状は、実験で得られたものと同じプロファイル形状を示した。これらの結果から、噴流間の流体混合現象について、DNSにより乱流特性を含めて良好に再現できることがわかった。
木村 暢之; 田中 正暁; 林田 均; 小林 順; 上出 英樹; アキラ トーマス トクヒロ; 菱田 公一
JNC TN9400 2000-057, 60 Pages, 2000/05
JNC-TN9400-2000-057.pdf:2.11MB
高速炉の実用化を目指した研究において、著しい進歩を遂げた数値解析手法を用いた熱流動現象の解明や設計が可能となってきている。熱流動に関する実験研究ではモックアップ試験装置による実証試験から要素を取り出した小規模試験による現象解明、解析手法の検証に重点が移りつつある。このような要求を満たす上で、実験データの質の向上が不可欠である。とくに流速場の測定においては速度の空間分布が時間経過とともに変化する過程を明らかにすることにより、これまで得られなかった情報を抽出し、現象の解明や解析手法の検証に大きく貢献できると考えられる。本報告では、流速の瞬時の空間分布が得られる手法として超音波を用いた流速分布測定法(UDV)と粒子画像流速測定法(PIV)の2つを取り上げた。これらを水流動試験に適用し、計測手法としての適用性を評価した。UDVでは配管体系、平板状噴流体系、さらに高速炉の熱流動現象の要素を取り出した燃料集合体間の隙間流れ(炉心槽内の流れ)に関する水試験に適用した。既存のレーザー流速計やPIVとの比較を行った結果、妥当な測定結果を与えることを確認するとともに、その課題をナトリウム体系への適用を含めて明らかにした。PIVでは炉心槽内の流れに適用し、その課題を明らかにした。炉心槽のような複雑形状流路へ適用する上では、トレーサー粒子以外の画像ノイズを除去する手法を開発することで測定精度の向上を図ることができた。
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
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3
12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。
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
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。
アキラ トーマス トクヒロ; 菱田 公一; 前田 昌信*
Proc. of 1997 ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting (FEDSM'97), 0 Pages, 1997/00
高速炉炉内熱流動の評価方法の高度化において、局所的な流速を正確に評価することが非常に重要となっている。そのためには、ナトリウムによる試験が不可欠となるが、ナトリウムは不透明であり、高温での使用となるため、流動場のデータを正確に得ることは非常に困難である。そこで、ナトリウムと流動に関する物性値の類似した水を使用することにより、流速場の測定を行った。今回は、粒子画像流速測定法(PIV)を用いた流速測定を行った。PIVは、流れ中のトレーサー粒子の挙動を画像として記録し、時間毎に得た画像の相互相関により、2次元の流速場を求めるものであり、3次元への適用も可能である。本試験では、PIVと赤外線投影法により、流体中の固体と気泡の後流の比較を行った。その結果、固体と気泡では、表面境界条件の違いから後流の流況には違いが見られた。また、超音波流速測定法により、同条件で流速場を測定し、PIVと比較を行った結果
Tokuhiro, Akira; 菱田 公一; 大木 義久
PNC TN9410 96-275, 59 Pages, 1996/10
粒子画像流速測定法(PIV)は,流れの中のトレーサー粒子の挙動を画像として記録することにより,流体の流れを測定する技術である。粒子は各フレーム毎に痕跡が記録され,相互相関により,2次元の流速場を得ることが出来る。これにより,3次元の流速場の測定も可能である。この測定法の画像処理にはコンピュータ,CCDカメラ,レーザー光が必要である。レーザーシートは流速場を得るべき面の粒子を発光させるために使用され,粒子と周辺流体とのコントラストを顕著にする。また,トレーサー粒子と流体や流体中を上昇する気泡界面などのレーザー光の反射面をより区別する手法としてレーザー誘起蛍光法(LIF)の適用の考えられる。LIFによる温度場の測定も可能である。本書では,PIVの導入方法について適用事例を通して述べる。適用事例としては,気泡とそれと同等な個体の後流についての試験を行った結果を示す。気泡モデルとして,幅と体積が気泡と同等である個体モデルにより近似できるものとした。この2成分2相流により空間的,時間的に変化する流れに対してのPIVの適用を実証することが出来る。さらに流れ場中の気泡や個体の画像を得るために,赤外線投影法を使用した。レーザーと赤外線の画像をCCDカメラで同時に撮影することにより,流れ場と物体の影を同時に記録できた。2次元流速場と共に,渦度,レイノルズ応力,乱流運動エネルギー(tke)分布を算出した。水による,正方流路内(100mm)対向流(Uavg~0.246m/sec)中に約10mm径の空気泡を入れた試験を行い,次の結果を得た。1)PIVは,気泡とそれと等価な大きさの個体の後方での後流について流れの違いを確認することが出来た。違いは気泡と個体の表面境界条件の違いにより生じるものである。2)気泡後方の後流場は,気泡の振動により空間的,時間的に変化する。すなわち,流速,渦度,乱流運動エネルギー分布は,振動挙動を伴った変化をする。3)気泡は,自分自身の運動によるエネルギー損失を最小にするように振る舞うため,乱流運動エネルギーを後流域に一様に分配するが,個体の場合では,乱流運動エネルギーは個体のごく近傍の制限された領域に分配される。しかしながら,乱流運動エネルギーの値はほぼ同じオーダーであることから,2つのケースでは乱流運動エネルギー散逸のメカニズムが異なっていると推測できる。また,PIVと超音波流速測定法により得られた一部の流速データに関して比較を行った。