Evaluation growing and collapsing behaviors of cavitation bubbles under flowing condition

川村 駿介; 直江 崇; 池田 翼*; 田中 伸厚*; 二川 正敏

Advanced Experimental Mechanics, 4, p.33 - 37, 2019/08

https://doi.org/10.11395/aem.4.0_33

J-PARCのパルス核破砕中性子源のステンレス鋼製の水銀ターゲット容器は、圧力波によって誘発されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーション損傷の低減化を期待して水銀の狭隘流路を有する二重壁構造の容器が採用された。狭隘流路によるキャビテーション損傷の低減効果は、実験的には確認されているもののそのメカニズムは明らかにされていない。本研究では狭隘流路におけるキャビテーション損傷低減効果を明らかにするための基礎研究として、流れ場における火花放電によるキャビテーション気泡の挙動を高速度ビデオカメラを用いて可視化した。さらに、キャビテーション気泡崩壊時の衝撃による壁面の振動を流速を変化させて測定した。流れがない場合は、気泡崩壊時のマイクロジェットは壁面に垂直に放出される、一方、流れ場ではその角度は斜めに変化する。その結果、壁面への衝撃力は流動によって低下することが分かった。

Development on laser cutting technique to suppress spatter particles aiming at disposal of radio-active waste

直江 崇; 勅使河原 誠; 二川 正敏; 水谷 春樹; 村松 壽晴; 山田 知典; 牛塚 悠司*; 田中 伸厚*; 山崎 和彦*

Proceedings of 8th International Congress on Laser Advanced Materials Processing (LAMP 2019) (Internet), 5 Pages, 2019/05

レーザー切断は、J-PARC核破砕中性子源標的容器等の放射性廃棄物の減容処分方法の1つである。レーザーによる切断は、非接触で実施されるため従来の機械切断方法等と比較して遠隔操作による切断作業に適している。しかしながらレーザーは、切断時に生じる放射性物質を含むスパッタやヒュームの飛散が、周囲に汚染を広げるデメリットがある。近年、レーザー溶接において、ビームプロファイルの制御によるスパッタ飛散の低減技術が開発された。レーザー切断に本技術を適用する手始めとして、レーザー切断時における溶融部の挙動について物理モデルを構築するために、高速度ビデオカメラを用いて溶融部を可視化した。その結果、ヒュームとスパッタの発生は、時間的に独立していることを確認した。

高出力パルス核破砕中性子源におけるキャビテーション

二川 正敏; 田中 伸厚*

混相流, 24(2), p.138 - 145, 2010/06

https://doi.org/10.3811/jjmf.24.138

高出力核破砕パルス中性子源水銀ターゲットの開発の現状について解説した。まず、高出力化の課題を概観する。ここでは、陽子線入射により生じる圧力波が水銀中にキャビテーションを発生させること、それにより容器壁面に付加される損傷について定量的に評価した結果を示している。次に、その抑制技術として、容器材料側及び水銀側からのアプローチについて紹介する。材料側ではプラズマ炭化と窒化処理技術の開発について、水銀側では圧力波低減技術として流動水銀中への気泡注入技術、また水銀流れの効果について述べている。これらの成果に基づき、実機に装着すべく機器設計を精力的に行っている。

Mitigation technologies for damage induced by pressure waves in high-power mercury spallation neutron sources, 2; Bubbling effect to reduce pressure wave

二川 正敏; 粉川 広行; 長谷川 勝一; 直江 崇; 井田 真人; 羽賀 勝洋; 涌井 隆; 田中 伸厚*; 松本 洋一郎*; 池田 裕二郎

Journal of Nuclear Science and Technology, 45(10), p.1041 - 1048, 2008/10

https://doi.org/10.3327/jnst.45.1041

高出力パルス中性子源水銀ターゲットに大強度陽子ビームを入射したときに生じる圧力波はキャビテーションを生じ、水銀容器の寿命を著しく低下させる。圧力波を低減するための技術として、微小気泡を水銀中に注入することを試みた。衝撃圧負荷装置を水銀ループに接続させて、流動水銀に微小気泡を注入し、それにより生じる変化を圧力応答及び損傷の観点から調べた。その結果、圧縮衝撃圧に気泡注入による変化は見られないが、損傷が著しく軽減した。この結果について、数値解析を行い考察し、気泡によりキャビテーションの発生が抑えられたことが理解された。

Cavitation damage prediction for spallation target vessels by assessment of acoustic vibration

二川 正敏; 粉川 広行; 長谷川 勝一; 池田 裕二郎; Riemer, B.*; Wendel, M.*; Haines, J.*; Bauer, G.*; 直江 崇; 沖田 浩平*; et al.

Journal of Nuclear Materials, 377(1), p.182 - 188, 2008/06

https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2008.02.058

水銀ターゲットの圧力波によるキャビテーション損傷について、ロスアラモス研究所の陽子加速器を用いたイオンビーム実験を実施し、著者らが考案した音響振動計測に基づいた損傷ポテンシャルの計測及び評価を行った。水銀流動条件による損傷の程度は、流れなしの場合に最も大きく、流れ有り、さらに気泡を注入したときに、一層低下することが、光学的な損傷観察結果よりわかった。これらの傾向は、損傷ポテンシャルの計測結果とよく一致した。これより、音響振動から評価した損傷ポテンシャルはキャビテーション損傷に関するその場診断技術として有効であること、また気泡混入法が損傷低減技術として期待できることを示した。

Applicability of numerical simulation to gas entrainment phenomena

伊藤 啓; 堺 公明; 大島 宏之; 田中 伸厚*

Proceedings of 5th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-5), p.398 - 405, 2006/11

ガス巻込み現象に対する数値解析手法の適用性を調査するため、基礎試験体系におけるガス巻込み現象を対象とした解析を実施した。実炉への適用を念頭に置き、計算コストを減らすためにかなり粗いメッシュ分割を用いた解析を行い、解析結果の流速分布から伸長渦理論に基づく手法を用いて計算されたガス巻込み判定パラメータを用いて、ガス巻込みの評価を実施した。各解析ケースの結果及び得られた判定パラメータは、実験結果や他のケースで得られた結果と比較を行い、解析精度の評価を行った。その結果、かなり粗いメッシュ分割を用いた場合であっても、数値解析手法が流速の変動挙動やガス巻込み判定パラメータを正しく導くことが明らかになり、また、液深を変化させた場合の挙動も正しく評価されることが明らかになった。さらに、乱流モデル及びメッシュ分割がガス巻込み評価に与える影響について検討し、これらの要素が与える影響は大きくないことが確認された。これらの結果から、本件で用いたガス巻込み評価手法が適切であることが示された。

ガス巻き込み現象数値解析に関する研究2

田中 伸厚*; 大島 宏之

JNC TY9400 2005-011, 41 Pages, 2005/07

JNC-TY9400-2005-011.pdf:2.66MB

本研究ではガス巻き込み現象を対象に,乱流解析手法の調査・検討を目的とした解析を実施した。守屋実験体系において,従来手法のSmagorinskyモデル(SM)と,室田によって提案された局所スケール平衡仮定(LISEA:Local Inter-Scale Equilibrium Assumption)の概念を導入したダイナミックSmagorinskyモデル(DSM)の2種類のLESモデルの比較を行い,岡本実験体系乱流の解析では乱流モデル(LISEA)の有無による比較を行った。解析において,複雑体系への適用性の観点から,コロケート格子を採用した。コロケート格子は速度の定義点において連続の式を満足させることは難しく,そのための補間により,スタガード格子よりも精度が低下することが知られている。そこで,精度の改善を図った稲垣らの方法を導入した。解析の結果,以下の知見が得られた。(1)守屋体系解析 速度分布の比較結果において,SM(Cs=0.1)とLISEAには明確な差は見られなかった。SM(Cs=0.2)の速度分布は,SM(Cs=0.1)やLISEAに対してなまっており,実験に対して最もわるい結果となった。定性的にはいずれの結果も実験結果とよい一致を見せた。渦粘性分布はSMとLISEAでまったく異なる分布となった。SMではCsの値によりその結果が大きく異なったことから,モデルパラメータの影響は大きく,LISEAの有効性が確認できた。(2)岡本体系解析 乱流モデル(LES)の影響に対する検証として,DNSとLISEAの結果を比較した。解析結果の比較は主流方向平均流速分布,主流方向速度の時間変化および周波数分析結果によって行い,平均流速分布と主流方向速度の時間変化に関してはDNSとLISEAの間に明確な差は見られなかったが,DNSではある程度計算が進んだ時点で逆流が見られた。このことからLISEAは数値計算を安定化する方向に作用したと考えられた。

旋回流を用いた微小気泡発生装置の特性評価

池田 翼; 粉川 広行; 直江 崇; 川村 駿介; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCのパルス核破砕中性子源で使用されている水銀標的では、陽子線入射による水銀の急激な熱膨張が引き起こす圧力波により、水銀を内包するステンレス鋼製の容器にキャビテーション損傷が形成される。この損傷は、中性子源の高出力安定運転を達成するための課題となっている。圧力波を低減するための技術の1つである水銀中への微小気泡注入を実施するために、旋回流型の微小気泡発生装置が開発され、実機に設置されている。圧力波の低減効果を高めるためには、気泡含有率を増加することが有効であり、そのためにより多くのガスを気泡発生装置から供給する必要がある。本研究では、気泡発生装置の圧力損失を増加させずに、吸い込み圧を下げる最適化をするために、羽根の角度とベンチュリの絞り比を系統的に変化させた水流動実験を実施した。その結果、絞り比の増加に伴い吸い込み圧が低下し、吸気量が増加することを明らかにした。

Optimization of the swirl gas microbubble generator for a liquid mercury target vessel

池田 翼; 粉川 広行; 直江 崇; 川村 駿介; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCの中性子源水銀ターゲットでは、大強度の陽子線入射により圧力波が発生する。圧力波はキャビテーションを誘発し、キャビテーションは水銀を包含するステンレス鋼製の容器に激しい壊食損傷を形成する。中性子源の高出力での安定運転のためには、キャビテーション損傷を抑制することが重要である。圧力波を低減するための手法として、水銀中への気泡注入が有望であり、水銀中への微小気泡注入のために旋回流型の気泡発生装置が開発・実装されている。本研究では、気泡発生装置に対して圧力損失を抑えて気泡注入量を増加する最適化のために、旋回流形成羽根とベンチュリの絞り比の影響を調べた。その結果、気泡注入力は絞り比を低下させることで増加した。

ナトリウム冷却高速炉のガス巻込みに関する研究,2; 適切な数値解析手法の検討

伊藤 啓; 堺 公明; 大島 宏之; 田中 伸厚*

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉におけるガス巻込み現象の評価を行うために、数値解析に基づいたガス巻込み判定手法の構築を実施している。ガス巻込み基礎実験体系を対象とした解析を行い、解析結果に判定手法を適用して評価を行うことにより、適切な数値解析手法の検討を行い、メッシュ精度や乱流モデル依存性について明らかにした。