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吉田 啓之; 鈴木 貴行*; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2010講演論文集, p.344 - 345, 2010/07
加速器駆動未臨界炉では熱的に厳しいターゲット窓の利用を回避するため、冷却材-ガス間に形成した自由表面をターゲット境界として利用するウィンドウレスターゲットの採用が検討されている。この設計で必要な自由表面挙動を予測するため、原子力機構では、詳細二相流解析コードTPFITによる設計手法を開発している。本報告では、水-蒸気実験を模擬した解析をTPFITで行い、その適用性を評価した。その結果、TPFITにより、実験結果と定性的に一致する界面形状を再現できることを確認するとともに、ターゲット中心部に見られる再循環についても評価できることを確認した。
中塚 亨; 三澤 丈治; 吉田 啓之; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2010講演論文集, p.348 - 349, 2010/07
原子力機構では、超臨界圧軽水冷却炉の炉心熱設計精度の向上を目的として、ラージ・エディ・シミュレーションによる超臨界圧流体の乱流熱伝達率予測手法を開発している。本報では、九州大学で実施した超臨界圧フレオンを用いた円管内熱伝達試験データをもとに実験解析を行った結果について報告する。本研究の結果、超臨界圧流体の場合には、主流に比べて壁面近傍での物性値依存性が大きく、それが乱流構造に影響して、伝熱劣化の要因の一つになっていることが予測された。開発した手法により、超臨界圧流体の乱流熱伝達率の予測に目途が得られた。
三澤 丈治; 吉田 啓之; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2010講演論文集, p.92 - 93, 2010/07
熱流体と構造体が相互に作用する条件に対する解析手法開発の一環として、原子炉が地震によって振動する場合の燃料集合体内沸騰二相流挙動に関する評価計算を行っている。今回は、振動の方向に着目し、振動方向が二相流挙動に及ぼす影響をパラメータ計算によって明らかにした。解析体系は、燃料集合体内で隣り合う2本の燃料棒によって囲まれるサブチャンネルを簡略模擬した2次元の両面加熱平板である。流体である水は鉛直下方から流入し、平板によって加熱されて沸騰し、水と蒸気の二相流となる。地震による沸騰二相流への影響を解析するために、流体の運動方程式に地震加速度項を付加した。解析は、加速度400ガルの条件で、燃料集合体水平方向へ与える加速度の振動周期を0.08秒から1.2秒の範囲とし、垂直方向へ与える加速度の振動周期を0.15秒として実施した。一連の解析の結果、振動周期が同じならば水平方向に加速度を与えた場合の方が、垂直方向の場合よりも沸騰二相流挙動に及ぼす影響は顕著であることがわかった。また、水平方向に加速度を与えた場合には、振動周期の減少に伴い、ボイド率の変動に時間遅れが発生し、この時間遅れが、ボイド率の大きさに起因していることがわかった。
玉井 秀定; 永吉 拓至; 上遠野 健一; 伊東 敬; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2009講演論文集, P. 2, 2009/08
自然循環運転による革新的水冷却炉や中小型BWRにおいては、上部プレナム内自由液面からの液滴キャリーオーバー特性の高精度予測が設計上解決すべき重要課題となっている。この液滴キャリーオーバー特性を実験的に把握し、機構論的な予測技術を開発するための基盤研究を、原子力エネルギー基盤連携センターの軽水炉熱流動技術開発特別グループにおいて進めている。本研究では、データベース構築のために、等エンタルピ変化を利用した絞り熱量計を用いて、圧力1.5-2.5MPa,蒸気見かけ速度0.4-1.9m/sの条件において、自由液面からの高さに対する液滴クオリティ分布を計測した。その結果、これまで試験データ点数が限られていた液滴クオリティが0.001より大きくなる高蒸気流束領域のデータを取得できた。新たに取得した高蒸気流束域のデータに関しても、圧力依存性,蒸気見かけ速度依存性,自由液面からの高さ依存性は従来の知見と同様であることがわかった。
Zhang, W.; 吉田 啓之; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2008講演論文集, p.108 - 109, 2008/08
本研究の目的は、原子力機構において開発された改良界面追跡法を用いた二相流詳細解析コードTPFITにより得られた二相流データベースを用いて、稠密炉心に適合したサブチャンネル間流体混合量に対する相関式を開発することである。これまでに、流体混合量を予測するためには、サブチャンネル間の差圧変動を正確に評価する必要があることを明らかにした。差圧変動の元となる圧力の時間的・空間的な不均一性は、気液両相の分布に起因するサブチャンネル内二相流圧力損失の不均一性が原因である。二相流圧力損失を評価する相関式は、多くの研究者により提案されているが、時間及び空間平均された実験結果に基づくため、本研究で必要とされる、時間的・空間的に不均一な圧力損失分布の評価に適用することはできない。そこで本報では、詳細数値解析結果により圧力損失メカニズムを検討し、サブチャンネル内圧力損失評価モデルの構築を試みた結果について示す。また、詳細数値解析で取得した二相流データベースによって稠密炉心内サブチャンネル間の差圧変動の様相を定量的に評価できることがわかった。
高瀬 和之; 吉田 啓之; 秋本 肇; 小瀬 裕男*
日本混相流学会年会講演会2005講演論文集, p.231 - 232, 2005/08
日本原子力研究所では、シミュレーションを主体とした先進的な炉心熱設計手法を確立し、効率的な新型炉開発を図ることを目的として、気液界面構造を詳細にとらえることができる新しい二相流直接解析手法の開発を行っている。地球シミュレータ等のスパコンを利用した大規模シミュレーションによって、原子炉燃料集合体内の水-蒸気二相流の3次元分布を従来手法よりも詳細に予測できることを一連の解析結果から明らかにした。
秋本 肇; 玉井 秀定; 大貫 晃; 高瀬 和之
日本混相流学会年会講演会2005講演論文集, p.229 - 230, 2005/08
日本原子力研究所(原研)では、軽水炉技術をベースとし、プルトニウムの有効利用を図るため、転換比1を超える性能を視野に入れた超高燃焼水冷却増殖炉(RMWR; Reduced-Moderation Water Reactor)の設計研究を進めている。水冷却増殖炉では、炉物理上の要請から減速材体積割合を低減する必要がある。このため、燃料棒間隙が1mm程度の稠密格子燃料集合体が採用されており、その除熱性能を把握することが炉心熱設計の重要な課題であり、実験と3次元二相流解析技術の開発を2002年から進めている。本報告では、稠密格子燃料集合体の除熱技術開発に関する研究計画の概要と37本バンドル試験部による稠密格子炉心熱特性試験,モデル実験などで得られた主な実験結果について報告する。
吉川 信治
日本混相流学会年会講演会2005講演論文集, p.311 - 312, 2005/08
高速炉は、21世紀を超えてエネルギーと環境問題を整合的に解決する手段と期待されている。高速炉を実用化するために様々な分野の努力が払われている。本報は主に「もんじゅ」で蓄積された技術的知識を次世代の高速炉へ継承するために行われている取組について論じ、特に設計問題の構造分析に焦点を当てる。現象論的な知識の重要性についても、高速炉における混相流の例を挙げながら言及する。
大貫 晃; 柴田 光彦; 玉井 秀定; 秋本 肇; 山内 豊明*; 溝上 伸也*
日本混相流学会年会講演会2003講演論文集, p.35 - 36, 2003/07
原研で開発を進めている低減速軽水炉の熱流動設計では、サブチャンネル解析コード等による解析的な評価を中核に据えている。そのため、ボイドドリフトモデルをはじめとする物理モデルの稠密格子体系への適用性を検証する必要がある。本研究では19本稠密格子ロッドバンドル体系での気液二相流流量配分実験を行い、サブチャンネル解析コードの適用性を評価/検証する。チャーン流条件で取得した液相及び気相の流量配分実験結果をサブチャンネル解析コードNASCAにより評価した結果、液相流量分布は妥当に予測したが気相流量分布は過小評価した。ボイドドリフトモデルの適用性をさらに検討する必要がある。
高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 玉井 秀定; 叶野 琢磨; 秋本 肇
日本混相流学会年会講演会2003講演論文集, p.33 - 34, 2003/00
原研が開発を進めている低減速軽水炉を対象として、稠密燃料集合体の二相流挙動を直接解析によって数値的に予測する研究を行っている。稠密燃料集合体をフルサイズで模擬した体系で直接解析を行うためには膨大な記憶容量を必要とするが、地球シミュレータによって初めてそれが可能になった。解析には、吉田によって開発された二相流解析コードTPFITを使用した。本コードは界面追跡機能を有し、気液界面形状を時間及び空間方向に高精度で輸送できる特徴を持つ。本研究では、熱の影響がない非加熱等温流条件に対して、燃料集合体入口の流速やボイド率を変えて解析を実施した。低減速軽水炉の炉心条件をもとに、気相及び液相の物性値は圧力7.2MPa,飽和温度288
Cにおける蒸気及び水の値を使用した。一連の大規模シミュレーションにより、稠密燃料集合体内の二相流挙動、特にスペーサ周辺の液膜流挙動等の詳細が定量的に明らかになった。
大貫 晃; 赤松 幹夫*; 秋本 肇
日本混相流学会第5回オーガナイズド混相流フォーラム報文集, p.87 - 92, 2001/09
計算資源の拡大に伴い、燃料集合体のような複雑形状での気液二相流解析を多次元で行うことが期待されるようになってきた。日本原子力研究所では形状効果を解析するため、三次元二流体モデルをベースとする数値解析手法を開発している。本研究では二流体モデルコードACE-3Dに一般曲線座標系解析機能を導入し、水平に置かれた円柱周りの空気-水二相流を解析した。実験で見られた円柱後流の渦への気相の集中、渦強度の時間的な変動が計算され、両現象が気泡に働く抗力、並びに圧力場に影響された気泡の慣性との相対的な関係に依存することを明らかにした。
傍島 眞
混相流レクチャーシリーズ第3回; 基礎から最前線まで, p.55 - 67, 1989/00
混相流中で最も一般的に出会う気液二相流の計測法について解説し、その開発利用の具体的例を示した。計測の対象となる量には、各相の流量(流速)、ボイド率、平均密度のほか、局所量として液滴密度と径分布、液膜厚さなどがある。これらの計測器の開発は、原子力の安全研究において二相流の熱水力モデルを作成するために必要な現象把握の測定を目的として、近年に体系的に行われてきた。様々な原理を利用した計測器の例を上げ、その利用技術や問題点を使用経験をもとに紹介した。
篠崎 達也*; 文字 秀明*; 上出 英樹
no journal, ,
本研究では、自由表面渦に関する基礎的な流動特性を明らかにすることを目的とし、旋回流及び下降流により自由表面渦を発生させることのできる装置を用い、作動流体の物性や流れの状態を変化させた際の渦形状並びにガス巻き込み現象について調べた。ここで、作動流体の物性として水温を変更し、流れの状態として水位変更並びに旋回流中に障害物を設置して実験を行った。また、作動流体の表面張力の変化が及ぼす離脱気泡形状への影響を調べるため、界面活性剤を添加した際の離脱気泡形状への影響についても調べた。
大岩 浩司; 村井 祐一*; 吉川 信治
no journal, ,
高速増殖炉もんじゅではヘリカルコイル型蒸気発生器が用いられている。この蒸気発生器は伝熱管の曲率に起因する遠心加速度の作用で液相が伝熱管の壁面に押さえつけられる特徴を持つ。この現象は流体力学的な振動を誘発すると思われる急速な沸騰を抑制する効果があると考えられている。本研究では特に遠心性加速が流れを支配すると思われるスラグフローに着目し、非加熱実験における可視化CT計測及びCIP-Level set法による数値シミュレーションにより流体の遠心性加速の影響について調査した。その結果、遠心加速には伝熱管壁面に液相を保持する効果と二次流れにより壁面をカバーするように液相を広げる効果があることがわかった。
永井 二郎*; 吉川 信治
no journal, ,
高速増殖原型炉「もんじゅ」の蒸発器にはヘリカルコイル型の伝熱管が用いられている。本報ではヘリカルコイル管内の強制流動沸騰の二相流現象、特にドライアウト点の振動の把握を目的とする。実験にあたってはガラス製のシェル・アンド・チューブ構造を熱交換器として使用し、水をヘリカルコイル内の下から上に向かって流し、高温の油を管の外側を上から下方に流した。ドライアウト点の振動が観測され、これはおもにドライアウト点近傍の盛んな核沸騰と表面に沿って流れる薄い液膜の気化によって生じる。油温,水温,水流量,ヘリカル管の内径や曲率などの実験パラメータが振動の周期に及ぼす影響が実験的に把握できた。
服部 修次*; 井上 文貴*; 倉地 宏晃*; 月森 和之; 矢田 浩基
no journal, ,
液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性の確認や、水銀を使用する核破砕中性子源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要である。本研究では液体金属用キャビテーション壊食試験装置及び試験材料としてオーステナイト系ステンレス鋼SUS304を用い、金属の種類(Pb, Biの組成)が異なる鉛・ビスマス合金とイオン交換水で壊食試験を行った。鉛・ビスマス合金の液体種類による壊食速度の違いは、融点と沸点を百分率して定義した相対温度で整理することによりほぼ一致し、各種液体のキャビテーション気泡崩壊圧による加工硬化についても検討した。また、実際の配管のキャビテーションは流れ系で発生するため、流体力学パラメータである流速、及びキャビテーション数の影響を文献調査により検討した。液体金属中の壊食速度に与える流速依存性は1
6乗であると推定でき、液体金属中と水中の初生キャビテーション数は同程度であり、壊食速度とキャビテーション数の関係式を見いだした。
呉田 昌俊; 吉田 啓之; 玉井 秀定; 大貫 晃; 秋本 肇
no journal, ,
稠密バンドル内のボイド率の評価を実施した。7本,14本,19本,37本バンドル試験体及びスペーサ効果試験体を用いて大気圧から7.2MPaの範囲でボイド率データを取得し、数値解析コード及びドリフト・フラックスモデルの稠密バンドル内のボイド率評価にかかわる適用性をデータと比較することで検討した。詳細設計用数値解析コードであるNASCA, ACE-3D, TPFITコードや、システム解析コードであるTRAC-BF1、及びドリフト・フラックスモデルの拡張性を検証し、いずれも実験データと同様な傾向を計算できることを確認した。
伊藤 啓; 山本 義暢*; 功刀 資彰*
no journal, ,
原子力機構では原子炉容器をコンパクト化し、主冷却系統を2ループ化したナトリウム冷却高速炉の設計検討を進めている。本設計概念では、容器内での流速が増加するため、容器内自由液面におけるガス巻込み現象の発生が懸念されている。炉心領域への気泡混入は原子炉出力の変動を生じるため、気泡巻込み量を許容範囲以内に抑えることが重要であるが、原子炉内ガス巻込み現象は、熱流体運動特有の非線形現象及び複雑・複合形状を伴う各種多重相関現象として出現するため、無次元数等による統一的な評価指針の策定は困難である。そこで、現在、高速炉ガス巻込み現象を高精度評価することを目的とし、計算科学的手法に基づいた高精度・シームレス物理シミュレータの構築を行っている。本件は、その一環として、非構造格子系における高精度気液二相流数値解析手法の開発とその検証を行った結果について報告する。
伊藤 啓; 功刀 資彰*
no journal, ,
ガス巻込み現象の直接数値解析を目的として、非構造格子系における高精度気液二相流数値解析手法の開発を進めている。本件では、歪んだ格子における高精度解析を達成するため、圧力と表面張力の適切な力学的釣合いを満たす定式化を導出した。本定式化では、表面張力ポテンシャルが定義されるとともに、圧力勾配の新たな計算法が用いられる。本定式化は液中の静止気泡の解析によって検証され、従来手法で発生した偽流速の発生を抑制することに成功した。
矢田 浩基; 倉地 宏晃*; 鈴木 克明*; 月森 和之; 服部 修次*
no journal, ,
液体金属中のキャビテーション壊食に関する研究は、ナトリウムを冷却材とする高速増殖炉の安全性の確認,水銀を使用する核破砕中性子源ターゲット容器の問題を解決するうえで非常に重要である。磁わい振動試験による水中及び鉛ビスマス中での壊食試験では、鉛ビスマス中での壊食速度は水中の約10倍となることが知られている。本研究では、液体金属流れ系におけるキャビテーション壊食の検討を行うため、オリフィスによる鉛ビスマス中でキャビテーション壊食試験が可能な試験装置を製作し、キャビテーションの初生条件を実験的に明らかにした。水中及び鉛ビスマス中での初生キャビテーション数はともに流速依存性はなく、0.80.6となる。