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論文

Pulsed pressure induced cavitation erosion in mercury narrow channel under flowing conditions

直江 崇; 粉川 広行; 田中 伸厚*; 二川 正敏

Advanced Experimental Mechanics, 4, p.17 - 21, 2019/08

水銀ターゲットにおける圧力波励起キャビテーション損傷を抑制するために、水銀中への気泡注入とビームが入射する先端部の二重壁構造化の二つの損傷低減化技術を導入している。二重壁構造では、4m/s程度の高速流れと2mm程度の狭隘流路によるキャビテーション損傷の低減効果を期待している。キャビテーション損傷に対する二重壁構造の影響を定量的に評価するために、流速と狭隘壁の間隔を系統的に変化させて水銀中でキャビテーション損傷試験を実施した。その結果、表面粗さで評価した損傷は流速の増加によって低減することを明らかにした。一方、水銀流動条件下では流路間隔の影響はほとんど見られなかった。

論文

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

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。

論文

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。

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

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。

論文

Bubble flow simulations in target vessel

羽賀 勝洋; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 二川 正敏; 山崎 将伍*; 田中 伸厚*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 600(1), p.64 - 67, 2009/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:85.42(Instruments & Instrumentation)

水銀ターゲットでは、高出力の陽子ビームに照射されて生じる瞬間的な熱ショックにより圧力波が引き起こされ、これによって生ずる壁面のキャビテーション損傷が重要な問題となっているが、水銀中に微小気泡を注入する手法は圧力波を抑制する有望な技術の一つである。圧力波抑制のための微小気泡注入システム研究の一環として、実機ターゲット容器中での微小気泡流動に関する予備解析を行い、最適な気泡注入条件を調べた。解析にはFLUENTコードを用いた。二次元解析では、50$$mu$$mの気泡径であればターゲット全長に相当する2000mmの距離にわたって、浮力による上昇量が少なく気泡を運べることがわかった。次に行った3次元解析では50$$mu$$mと300$$mu$$mの気泡径の場合について流動解析を行った。その結果、気泡径に応じて最適な箇所から気泡を注入すれば、気泡を希望する場所に運び分布させることができる見通しを得た。

論文

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

 被引用回数:23 パーセンタイル:13(Nuclear Science & Technology)

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。

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

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

 被引用回数:24 パーセンタイル:12.12(Materials Science, Multidisciplinary)

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。

論文

R&D on pressure-wave mitigation technology for pulsed high-power mercury targets; Bubble flow simulations

羽賀 勝洋; 二川 正敏; 粉川 広行; 涌井 隆; 直江 崇; 山崎 将伍*; 田中 伸厚*

PSI-Proceedings 07-01, p.67 - 70, 2008/01

水銀ターゲットでは、高出力の陽子ビームに照射されて生じる瞬間的な熱ショックにより圧力波が引き起こされ、これによって生ずる壁面のキャビテーション損傷が重要な問題となっている。JSNSでは圧力波を抑制する技術のR&Dを進めており、中でも水銀中に微小気泡を注入する手法は有望な技術の一つである。本研究では微小気泡の直径や注入箇所をパラメータとして、水銀ターゲット中での気泡分布への影響を解析により調べた。また、小型水銀ループと衝撃試験装置であるMIMTMを組合せることで、微小気泡のキャビテーション損傷への影響を調べるとともに、気泡力学の観点から解析的に評価した。その結果、微小気泡の注入は圧力波の抑制とキャビテーション損傷の軽減に有効な手段であることがわかった。

論文

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。

論文

Numerical analysis of unsteady gas entrainment phenomena using dynamic SGS model

坂井 雅之*; 田中 伸厚*; 大島 宏之

Proceedings of 5th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-5), p.301 - 304, 2006/11

工業機器の経済性を向上させるためには、機器中に存在する気体又は液体の流れの品質を高めることが重要である。本研究は、局所スケール間平衡仮定(LISEA)に基づく乱流渦流れ解析コードを用いて、非定常ガス巻込み現象の解析を行い、LES解析を適用性やメッシュ分割に対する感度について調査を行った。その結果、次の結果が得られた。(1)LESはDNSよりもメッシュ分割の影響を受ける。そのため、適切な解を得るためにはメッシュ分割に対する十分な検討が必要である。(2)本研究の範囲においては、DNSはメッシュ分割の影響をあまり受けない。(3)LESを用いた解析において、適切な解析パラメータを設定する必要がある。

報告書

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。

口頭

ナトリウム冷却高速炉の自由液面ガス巻込み現象の評価

大島 宏之; 堺 公明; 上出 英樹; 功刀 資彰*; 岡本 孝司*; 田中 伸厚*; 江口 譲*

no journal, , 

ナトリウム冷却高速炉の上部プレナム内で発生する可能性のある自由液面からのガス巻込み現象について、その現象解明と発生予測評価手法の確立に向け産官学連携で実施した研究の内容を紹介するものである。

口頭

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。

口頭

流れ場におけるキャビテーション気泡崩壊挙動の実験的考察

川村 駿介; 直江 崇; 池田 翼; 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を内包するステンレス鋼製のターゲット容器は、陽子線入射時に発生する水銀中圧力波が引き起こすキャビテーションによる損傷を受ける。この損傷を低減するために、ターゲット容器の先端部には狭隘流路を有する二重壁構造のターゲット容器が施されている。狭隘流路構造においてよるキャビテーション損傷が低減される効果があることが実験的に確認されているものの、その損傷低減のメカニズムは明らかになっていない。本研究では、狭隘流路内でのキャビテーション気泡の挙動を把握するための基礎研究として、まず、流動条件下で、水中火花放電により発生させたキャビテーション気泡の成長・崩壊挙動を高速度ビデオカメラを用いて詳細に観察すると共に、気泡崩壊時の壁面の振動を測定した。その結果、流速の増加に伴い、気泡崩壊時に放出されるマイクロジェットの壁面に対する角度が下流側へ傾斜すると共に、壁面の振動が低減することを明らかにした。

口頭

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。

口頭

Visualization of cavitation growing and collapsing behaviors in narrow channel

川村 駿介; 直江 崇; 池田 翼; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

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。

口頭

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。

口頭

狭隘流路内のキャビテーション気泡挙動に及ぼす流れの影響

川村 駿介; 直江 崇; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

液体水銀を核破砕標的に用いたJ-PARCのパルス核破砕中性子源では、水銀を内包する標的容器の長寿命化と高出力での長期安定運転の実現を目指す中で、標的容器先端部の内壁に圧力波によって形成されるキャビテーション損傷が、容器の構造健全性を低下させるとして課題となっている。容器先端部に狭隘流路を有する2重壁構造構造を設けることで、狭隘壁と高速流れが形成する圧力勾配によって、キャビテーション損傷の低減効果が報告されているが、損傷低減化に支配的な因子を断定できていない。本研究では、損傷低減化に効果的な狭隘流路設計を行うための基礎的研究として、狭隘流路に水中火花放電法を用いて発生させたキャビテーション気泡の成長・崩壊時の挙動、及び衝撃圧力と流速との相関を評価した。その結果、気泡の最大等価直径と崩壊圧力に起因する振動加速度は、流速の増加に伴い減少すること、気泡最大半径と流路幅の比に依存して崩壊挙動が変化することを明らかにした。

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