炉心槽内流速分布測定への超音波流速計の適用性評価; 粒子画像流速計測を含めた水試験への適用

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。

Numerical Study on Mixing of Oscillating Quasi-planar Jets with Low Reynolds number Turbulent Stress and Flux Equation Models

西村 元彦; アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之; 上出 英樹

Nuclear Engineering and Design, 202(1), p.77 - 95, 2000/00

https://doi.org/10.1016/S0029-5493(00)00287-9

平行三噴流水流動実験を対象に、多次元熱流動解析における乱流モデルの適用性を評価した。適用した乱流モデルは、低レイノルズ数型応力・熱流束方程式乱流モデルおよび-二方程式乱流モデルである。乱流モデルのうち、前者には筆者らの提案が含まれており、実験結果の温度場とその変動周波数特性を良く再現した。また、三噴流においては単一噴流よりも活発な流体混合が生じることが実験研究から明らかになっていたが、本解析を通して、活発な混合は、規則的且つ大きな振幅を持つ噴流の振動により生じることがわかった。一方、既往の-二法廷式乱流モデルは、乱流粘性を過大評価したために、噴流の振動を減衰させてしまい、流体混合を過小評価した。

A Summary of Ultrasonic Thermometer Sodium Test Results for Pipe-flow

林田 均; アキラ トーマス トクヒロ; 上田 雅司; 荒 邦章

Proceedings of 8th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-8) (CD-ROM), 0 Pages, 2000/00

ナトリウム中の音速が温度により変化することを利用して、配管外からナトリウム温度を計測する超音波温度計の開発を実施している。超音波温度計のナトリウム温度計測適用性を検討するために、実際にナトリウムを用いて超音波温度計の各種特性を試験した。その結果、以下のような知見を得た。超音波温度計は、ナトリウムの流速、カバ-ガスの圧力、ナトリウム中の不純物濃度などの影響を、ほとんど受けない。また、直付方式超音波温度計で約2.5、ガイド棒方式超音波温度計で約4の試験誤差を有する本試験において、基準温度計と比較して超音波温度計の算出温度は、直付方式で約1、ガイド棒方式で約2程度となった。したがって、本手法の超音波温度計は、主配管内のナトリウム温度を計測する温度計として適用可能なことがわかった。

Thermal striping; an experimental investigation on mixing of jets; Part III Remaining hydrodynamic results from initial experiments

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之; 宮越 博幸

JNC TN9400 2000-014, 86 Pages, 1999/06

JNC-TN9400-2000-014.pdf:11.72MB

高速炉のサーマルストライピング現象について熱流動に関する実験シリーズが水流動試験装置を用いて行われた。ここで言うサーマルストライピング現象とは、炉心出口部において、制御棒チャンネルや集合体から流出する温度・速度の異なる噴流が十分に混合せずに炉心上部構造材に衝突することにより構造材に熱疲労を与える現象である。本試験体系は、鉛直噴流を平行に3本配置しており、中心噴流が低温、左右の噴流が高温である。噴流は、矩形ノズルから試験容器中に準2次元形状で吐出している。試験パラメータは、噴流の平均吐出流速(U)と中心噴流と周辺噴流の吐出温度差(T=T-T)である。流速測定はレーザードップラー流速計(LDV)と超音波流速計(UDV)を用いて行った。本試験は、中心噴流を吐出させた単一噴流条件と3本の矩形噴流を吐出させた三噴流条件で行った。第1報は主にUDV計測結果、第2報は主に温度計測結果をまとめ、これらの結果を踏まえ、本報においてフェーズ1試験のまとめを行った。単一噴流条件における流速測定結果は、噴流出口領域から下流において、LDVとUDVとも既知の試験結果と良い一致を示した。三噴流試験条件において、3つの噴流の吐出速度が等速の場合、噴流が左右に振動することにより対流混合が行われていることが明らかとなった。また、速度変動は、流れに垂直方向において、左右の噴流と中心噴流の間の領域で大きくなっていることがわかった。UDVによる速度変動および温度変動から得られた噴流振動の卓越周波数は、噴流が主に混合する領域(混合領域)でf = 2.25Hz、噴流の混合がほぼ終了した領域では f = 0.7Hzであった。左右の噴流吐出速度が中心噴流吐出速度より大きい場合、混合領域が下流側にシフトし、混合領域の流れ方向長さが短くなっていることがわかった。

An experimental investigation on thermal striping. Mixng phenomena of a non-buoyant jet with two adjacent,buoyant jets as measured by ultra Doppler velocimetry

アキラ トーマス トクヒロ; 木村 暢之

Nuclear Engineering and Design, 188(1), p.50 - 73, 1999/00

原子炉冷却材の炉心出口噴流は、その温度差により炉心上部機構底面に熱サイクルを生じるため、構造健全性維持の観点から、挙動の把握が重要な課題となっている。本研究では、平行スリットからの3本鉛直噴流により生じるサーマルストライピングの熱水力挙動に着目した研究を行った。実験では噴流出口の流速、温度をパラメータとして与えた。中心からの噴流は冷噴流とし、外側の2本の噴流を高温噴流とした。速度水平方向に39本熱電対ツリーを鉛直方向へ移動することによって測定した。本報では、UVPを用いた流速分布測定の結果を基に考察を行った。3噴流での混合では流速のRMS値が一単噴流と比較して20倍程度になることが確認された。また、流体混合は主に高温噴流と低温噴流の間の位置で行われ、単一噴流と比較して狭い範囲で、かつ、急激に起こるという結果を導入した。

超音波による流速分布計測手法の高度化研究

平林 勝; 小林 順; アキラ トーマス トクヒロ; 大木 義久; 林田 均; 荒 邦章

PNC TN9430 98-002, 29 Pages, 1998/01

PNC-TN9430-98-002.pdf:1.25MB

原子炉工学室では、超音波流速分布測定装置をナトリウムに適用する研究を実施している。現時点では、高温用の超音波トランスデューサを開発し、ナトリウム中の流速分布測定に適用可能なことを確認しているが、今後、解析コードの検証用としても充分な精度をもったデータを取得するためには超音波の散乱現象に対する基礎的な試験も含めた研究が必要であり、最適な信号処理技術の開発が必要である。本報では、原子炉工学室で実施した超音波流速分布測定装置によるナトリウムの流速分布測定結果に対する考察を行うとともに、超音波を用いた計測の基礎理論の現状技術および課題という視点からまとめ、それを踏まえて超音波による流速分布測定手法の高度研究実施する。

Stirring-indueced vortical motion measured by ultrasound Doppler velocimetry; Initial 2D vector plots

Tokuhiro, Akira; 小林 順

PNC TN9410 97-059, 59 Pages, 1997/04

PNC-TN9410-97-059.pdf:2.78MB

プール型の高速炉は自由表面を有する構成となっており、自由表面からのガス巻き込みの炉心に与える影響を明らかにすることが重要な研究課題の1つとなっている。原子炉工学室では、ガス巻き込みに対する基本的な知見を得るため、円筒容器内に強制渦を作り出し、強制渦の流動に関する試験を実施している。一方、当室では、音響手法による流速分布計測手法の高度化研究として、超音波流速分布測定装置を用いた多次元計測や液体金属の流速分布測定についても研究を進めている。そこで渦の流動挙動に関する理解を得るため、ガス巻き込み試験装置に超音波流速分布測定装置を用いた多次元計測手法を適用する実験を行った。本報告書では、計測された流速情報を評価することにより得られた、渦に対する知見を報告するとともに、超音波流速分布測定装置と多数本の超音波トランスデューサを用いることにより、2次元の流速場が計測できることを示す。実験は、水を用い、直径280mm高さ280mmの円筒容器の底面中央におかれた磁石の撹拌子によって強制渦を誘発し、6本のトランスデューサを直交させて設置することによって流速の径および軸方向成分を計測した。実験の結果、得られた流速データを組み合わせることにより、r-z平面の2次元の流速ベクトル場が得られた。そして、強制渦の流れの変化の比率(すなわち渦度)が示された。本報告書の結果では使用したトランスデューサの本数が少ないため、流速場の解像度が低くなり、流速情報が限定されたものになっている。したがって、平均値や定常または規則的な過渡変化状態における変動量を評価するためには、レーザー流速計や従来から利用されている可視化技術などを並行して利用する必要がある。しかしながら、超音波流速計を用いた計測方法でも、トランスデューサの本数を増加し、平面解像度を高くすれば熱流動研究上有効な道具となりうることを示した。今後さらに3次元計測に対しても拡張を行っていく。

An experimental investigation on thermal striping, 1; Mixing of a vertical cooled jet with two adjacent heated jets as measured by ultrasound Doppler velocimetry

アキラ トーマス トクヒロ; 宮越 博幸; 木村 暢之

Proceedings of 8th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-8), Vo.3, p.1712 - 1723, 1997/00

原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差により、炉心上部機能底面に熱サイクルが生じ、それによる構造材の熱疲労は重要な課題である。サーマルストライピング水流動試験装置を用いて3本の平行スリットから出る噴流のうち中心の噴流が低温である垂直噴流の混合を調査するために一連の試験を実施した。スリット幅は20mmでピッチは50mmである。噴流は3つの出口ノイズから大きなテストタンクへと流出する。実験では広範な温度及び 流速データの計測を行っているが、本報告では単一噴流と3噴流の流動を対象にし、主に超音波流速分布測定装置によって計測された流速データに限定した評価を行った。その結果、単一噴流試験データは、既往研究の結果と一致し、実験結果の一般性が示された。流速の変動成分(RMS)測定によると、3噴流において、混合領域では単一噴流と比較して20倍程度のRMS値となるが、完全に混合が発達した領域では単一噴流よりが小さ

平行三噴流のサーマルストライピング現象に関する実験研究; 噴流の吐出速度差と吐出温差が対流混合に及ぼす影響

木村 暢之; Tokuhiro, Akira; 宮越 博幸

PNC TN9410 96-296, 136 Pages, 1996/10

PNC-TN9410-96-296.pdf:9.21MB

高速炉では、原子炉冷却材の炉心出口噴流の温度差のため、炉心上部機構底面に熱サイクルが生じる現象(サーマルストライピング現象)による構造材の熱疲労は重要な課題である。ここでは、水を作動流体とし、低温噴流の両側に高温噴流を平行スリットから吐出させた3本鉛直噴流による実験により、複数噴流 の混合における熱水力学的挙動を評価することを目的とした。本実験は、噴流吐出速度、噴流吐出温度をパラメータとし、レーザードップラー流速計(LDA) 、超音波流速分布測定装置(UVP)による混合部の局所流速分布測定と、熱電対 による温度分布測定を行った。本報告では、主に温度計測により得られた実験結果について示す。3噴流の混合過程は、単一噴流と比較して温度変化の勾配 が23倍程度の大きさとなる領域(対流混合領域)を経ることがわかった。対流混合領域の範囲は、噴流吐出温度差に依存せず一定であり、噴流吐出速度差が依存する場合では、ない場合と比較して上流・下流に広がっていた。噴流吐出速度差一定の場合、対流混合領域内での温度・温度変動幅の空間分布は、噴流吐出温度差で規格化することにより一致することから、噴流の混合における温度差の影響は、噴流吐出速度差の影響と比較し、小さいことがわかった。噴流吐出速度差のない場合のみ、中心噴流が、噴流吐出速度に依存した周期で振動し、これにより、温度揺らぎ成分中に25Hz程度の卓越した周波数成分がみられた。一方、噴流吐出速度差のある場合では、このような振動が見られず、温度揺らぎ成分も通常の乱流状態の周波数分布と同様であった。これらの結果から、原子炉構造物に対し、サーマルストライピング現象による大きな熱サイクルが生じる領域(対流混合領域)の存在が明らかとなり、この領域を踏まえて、原子炉構造物を設置する必要があると考えられる。また、高温噴流と低温噴流の吐出速度差を与えることで、吐出速度に依存する温度揺らぎの最大振幅を持つ周波数成分を抑制することができると考えられる。

Order of Magunitude Analysis of stratified natural convection and mixed convection penetration flow of cold liquid into a vertical channel with hot,forced flow

Tokuhiro, Akira; 小林 順

PNC TN9410 96-068, 51 Pages, 1996/05

PNC-TN9410-96-068.pdf:1.35MB

高速炉を模擬した上部プレナムから燃料集合体への低温流体の混合対流潜り込み流れの実験研究が行われた。この潜り込み現象は、DRACS (Direct Reactor Auxiliary Cooling System)を使用した自然循環による崩壊熱除去時のある条件下において発生し、炉心流量を決定する自然循環ヘッドと炉心の冷却性に影響を与える可能性がある。本試験では上部プレナムと燃料集合体入口チャンネルを単純化した試験体を用いて、垂直チャンネル内の高温上昇流へ低温流体が潜り込む現象に対して瞬間的な温度分布と流速分布の計測を行った。その結果、瞬間的な温度分布および流速分布の時間変化はほぼ同一であることが確認された。潜り込み現象を定量的に把握するため、単位時間当たりの現象の発生頻度によって判断した。得られた実験データにより潜り込み初生条件とチャンネルへの潜り込み深さを、与えられたPr数に対してRe数とGr数の組み合わせて表すことに成功した。本報告では、得られた結果が他の同様な研究と若干の違いがあるが、実験データを充分に取り入れた次元解析に基づき、無次元数の組み合わせを提案する。