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論文

二相流解析コードTPFITと電磁場解析ソフトウェアEMSolutionを用いたワイヤメッシュセンサ周りの気泡挙動と電場分布の同時評価手法の開発

上澤 伸一郎; 鈴木 貴行*; 吉田 啓之

混相流シンポジウム2018講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2018/08

気液の存在割合を表すボイド率は気液二相流の重要な物理量であり、様々な分野の機器設計や流動特性を理解する上で欠かせないパラメータである。そのボイド率の流路断面2次元分布のリアルタイム計測が可能な手法として、ワイヤメッシュセンサ(以下、WMS)がある。WMSには流路内にワイヤを多数挿入するため流動が阻害され、その電場分布の非一様性による気泡位置に対する計測誤差は十分に確認されていないなどの課題がある。これらの計測への影響は、使用するワイヤの本数や流動条件で異なると考えられるため、WMSをテスト部に実装する前に、その計測性能や計測への影響を評価できる数値解析手法が必要である。そこでWMSの計測性能と上記問題点を計算機上で評価するための、WMSにおける気泡挙動・電場分布の同時評価手法の開発を実施した。解析の有用性を把握するため、3$$times$$3の2線式WMSにおける単一気泡の挙動・電流密度分布解析を行い、ワイヤによって気泡が大きく変形することを再現できたとともに、WMSは送信-受信ワイヤ間外にも有意な感度を持つこと、送信-受信ワイヤ間に気泡があっても、その位置によってボイド率が変化するなど、これまで明らかにされていなかったWMSの感度領域に関する新たな知見を得た。

論文

Local gas-liquid two-phase flow characteristics in rod bundle geometry

Xiao, Y.*; Shen, X.*; 三輪 修一郎*; 孫 昊旻; 日引 俊*

混相流シンポジウム2018講演論文集(インターネット), 2 Pages, 2018/08

ロッドバンドル体系における二流体モデルの構成式の高度化を図るために、6$$times$$6ロッドバンドル体系における上昇気液二相流実験を実施した。ボイド率や界面積濃度等の局所流動パラメータを2針式光プローブで計測した。計測した断面平均ボイド率と界面積濃度の結果と、既存ドリフトフラックスモデルや界面積濃度相関式から予測した結果と比較した。

論文

液滴界面近傍におけるエアロゾル挙動の可視化計測

上澤 伸一郎; 吉田 啓之

混相流, 32(1), p.140 - 149, 2018/03

液滴による放射性エアロゾル粒子の捕集が、原子力分野でも実用化されている。エアロゾル粒子捕捉の物理機構には、さえぎり、慣性衝突、ブラウン運動による拡散、重力沈降、静電引力があると考えられているが、エアロゾル粒子は比較的微小かつ高速で運動することから、液滴によるエアロゾル粒子がそれらの物理機構によって捕捉されている様子を直接計測した例はない。本研究では、液滴によるエアロゾル粒子の捕捉挙動を明らかにするため、液滴周りのエアロゾル粒子群挙動を粒子画像流速測定法で計測した。さらに、液滴界面近傍のエアロゾル粒子の捕捉挙動を、対物レンズを備えた高速ビデオカメラを用いて観察した。その結果、飛来したエアロゾル粒子が液滴に捕捉される様子を直接撮影することに成功した。その粒子挙動は、液滴界面に捕捉された後に液滴内部まで侵入して液滴内に拘束される挙動、液滴界面に捕捉された後もそのまま界面上で拘束される挙動、液滴界面まで到達するものの捕捉されずに液滴界面上を移動する挙動、液滴界面まで近づけず捕捉されない挙動の計4種類あることが確認された。その可視化計測結果から、液滴に捕捉された粒子は比較的粒径が大きく、ストークス数は概ね1以上であり、本実験範囲においては、液滴前面における主な捕捉機構は「慣性衝突」であることが確認された。

論文

液滴界面近傍におけるエアロゾル挙動の可視化計測

上澤 伸一郎; 吉田 啓之

混相流シンポジウム2017講演論文集(USB Flash Drive), 2 Pages, 2017/08

液滴によるエアロゾル粒子の捕集は、多くの産業分野で実用化されている。近年では液滴による放射性エアロゾル粒子の捕集が、原子力分野でも実用化さている。エアロゾル粒子除去の物理機構には、さえぎり、慣性衝突、ブラウン運動による拡散、重力沈降、静電引力があると考えられているが、エアロゾル粒子は比較的微小かつ高速で運動することから、液滴によるエアロゾル粒子がそれらの物理機構によって捕捉されている様子を直接計測した例はない。本研究では、液滴によるエアロゾル粒子の捕捉挙動を明らかにするため、液滴周りのエアロゾル粒子群挙動を粒子画像流速測定法で計測した。さらに、液滴界面近傍のエアロゾル粒子の捕捉挙動を、対物レンズを備えた高速ビデオカメラを用いて観察した。その結果、液滴断面中心に飛来するエアロゾル粒子は、液滴界面近くで減速後に、液滴界面に捕捉されたことが確認された。しかしながら、液滴断面中心から離れた位置に飛来したエアロゾル粒子は、液滴界面に到達できず、液滴界面に捕捉されることはなかった。また、実験後の液滴界面と内部の観察から、液滴界面で捕捉されたエアロゾル粒子は液滴内部に移動することが確認された。

論文

海水塩析出物を伴う海水の流動沸騰熱伝達に関する研究

上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 永武 拓; 吉田 啓之

混相流, 31(2), p.162 - 170, 2017/06

東京電力福島第一原子力発電所事故では、非常用冷却水の注水・除熱機能が失われたため海水が注水された。しかし、炉内への海水注入は行われたことがなく、海水による燃料集合体の冷却は検討されていない。本研究では、海水を用いてプール核沸騰実験を実施し、伝熱面温度と伝熱面上の海水塩析出層厚さの測定を行い、海水塩析出物が核沸騰熱伝達へ与える影響について評価した。また、燃料棒と同様な寸法の内管加熱部を持つ鉛直二重管流路での上向き強制流動沸騰実験を実施し、海水の流動沸騰への影響についても議論した。その結果、高濃度の人工海水では、一定かつ低い熱流束であっても壁面過熱度が次第に増加し、既存の伝熱評価式から外れる、伝熱面温度の逸走が起きることを確認した。海水塩析出層厚さの測定から、この伝熱面温度の逸走は、伝熱面上に海水塩の1つである硫酸カルシウムが析出し、時間とともに析出層が厚くなることにより、表面までの熱抵抗が増加して起きる現象であると考えられる。また、海水塩濃度が高いほど、より低い熱流束で伝熱面温度の逸走が起きており、海水塩の伝熱面上での析出は、伝熱面近傍の海水塩濃度が関係すると考えられる。流動沸騰条件では、下流では海水の濃縮が進むため、下流の伝熱面にはプール核沸騰実験よりも低い熱流束で海水塩が析出し、伝熱面温度の逸走が発生することを確認した。

論文

シビアアクシデント時の使用済み燃料プールスプレイ冷却効果に及ぼす二相流挙動の可視化研究

永武 拓; Liu, W.; 上澤 伸一郎; 小泉 安郎; 柴田 光彦; 吉田 啓之; 根本 義之; 加治 芳行

混相流シンポジウム2016講演論文集(USB Flash Drive), 2 Pages, 2016/08

福島第一原子力発電所事故においては、電源の喪失による使用済み燃料プール(SFP)の冷却系の停止により、水位の低下に伴う燃料の破損が懸念された。これを受け、冷却手段を失った際の対策として、可搬式スプレイによる冷却手段の確保が、その妥当性の評価等を含めて求められている。可搬式スプレイによるSFP中の燃料の冷却はこれまで十分には検討されていないため、冷却の妥当性の確認、運用方法の最適化等のための冷却性能の評価が必要となる。本研究では、冷却性能評価手法開発の一環として、燃料集合体の上部及び内部におけるスプレイ水の挙動に着目し、解析コード開発の実施及び現象把握や検証データ取得のための実験を計画している。本報告では、コード開発及び実験において重要な評価項目として考えられている、スプレイ水の燃料集合体内への侵入を阻害する気液対向流制限(CCFL)条件の評価及び可視化方法の確認を目的とした予備試験の結果について述べる。

論文

Experimental measurement of vortex cavitation around a suction pipe inlet

江連 俊樹; 伊藤 啓; 亀山 祐理*; 栗原 成計; 功刀 資彰*

混相流, 30(2), p.189 - 196, 2016/06

In this study, experiments on vortex cavitation are carried out using a simple water cylindrical vessel with a suction nozzle. In order to understand the fundamental behavior of vortex cavitation, its instantaneous occurrence behavior is grasped by visualization using high speed camera. Velocity distribution around vortex, which causes cavitation, is also quantitatively grasped by means of Particle Image Velocimetry. From visualization measurements, vortex cavitation is considered to be triggered by the wall nuclei and the cavity develops immediately toward the suction nozzle once triggering occurs on the bottom wall. In addition, distribution of pressure decrease along vortex center estimated based on Burgers model and measured velocity distribution shows monotone increase from the bottom wall toward the suction nozzle. As the results, the cavity is thought to develop toward the suction nozzle intake immediately, if some triggering of cavitation occur on the bottom wall.

論文

蒸気発生器伝熱管内蓄水量測定実験と蓄水量評価モデル

山路 達也*; 小泉 安郎; 山崎 康平*; 大竹 浩靖*; 長谷川 浩司*; 大貫 晃*; 金森 大輔*

混相流シンポジウム2015講演論文集(USB Flash Drive), 2 Pages, 2015/08

PWR小破断冷却材喪失事故時に、過渡的な炉心水位低下をもたらすことが懸念されている、蒸気発生器上昇流側U字管内冷却水滞留を調べることを目的として、凝縮を伴う垂直管内気液対向流の蓄水挙動を実験により調べた。実験は、内径18mm、長さ4mの垂直円管を試験流路として、蒸気と水を用いて圧力0.1MPaの下で行われた。透明管による可視化、及び、真鍮管を用いた蓄水量定量評価の2種の実験を行った。流路下端入口で液が流下できない条件であっても、蒸気は流路を上昇するにつれ凝縮されて流速を減じるため、管路上方で凝縮液流下の状態となり、管路内に二相混合水位が形成され、管路内に凝縮水滞留を生じることを実験的に把握した。さらに実験結果をもとに、蓄水量評価モデルを導出し、蓄水挙動を適切に表現できることを確認した。

論文

原子力機構の福島における環境修復活動

梅澤 克洋; 中山 真一

混相流, 26(4), p.418 - 425, 2012/12

原子力機構は、東日本大震災後の福島県の環境改善のために放射線モニタリング,除染,コミュニケーション活動、及び関連する研究開発などの多様な活動を行ってきている。除染モデル実証事業は警戒区域や計画的避難区域で実施され、除染作業における適用性や効率性の観点から既存技術やそれを改良した技術が試験された。除染に伴い発生する除去物は仮置場等の保管施設に保管され、また、労働者の被ばく防護のための方法が調査された。研究開発としては、除染計画立案のためのコンピュータシミュレーション,航空機による放射線モニタリング,除染技術開発などが続けられている。

論文

原子力工学分野における混相流解析技術; 原子炉設計のための気液二相流解析技術の開発

秋本 肇

混相流, 26(3), p.266 - 272, 2012/09

原子力工学分野における気液二相流解析技術に関して、最近の25年間を中心にレビューした。1980年代から1990年代には非常用炉心冷却系の有効性を実証するために多くの大規模実験が行われた。これらの試験結果は、RELAP5やTRACコードに代表されるいわゆる最適評価コードに集約化された。また、シビアアクシデント研究が行われ、事故緩和策の検討が進められた。近年の計算機性能の向上と相まって、1990年代から2000年代には、3次元解析やサブチャンネル解析のような詳細シミュレーション技術の開発が進められている。最後に、今後の課題と展望について短くまとめた。

論文

非構造格子系における高精度気液界面勾配計算法

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

混相流, 26(1), p.52 - 59, 2012/03

高速炉ガス巻込み現象の直接解析を目的として、著者らは高精度気液二相流数値解析手法の開発を行っている。本論文では、非構造格子系における高さ関数法を開発することによって気液界面勾配の計算手法を改良し、基礎検証によって直線界面の再現に成功するとともに、界面局率の計算も高精度化できたことを示す。

論文

詳細二相流解析コードTPFITによる加速器駆動未臨界炉ウィンドウレスターゲットの数値解析

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。

論文

超臨界圧軽水冷却炉熱設計のための乱流熱伝達率予測手法の開発

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。

論文

地震加速度に対する沸騰二相流挙動の影響に関する数値予測

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。

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

絞り熱量計を用いた液滴クオリティ計測

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。

論文

中性子イメージング技術を用いた混相流のビジュアル化

呉田 昌俊; 飯倉 寛; 瀬川 麻里子

混相流, 23(2), p.165 - 174, 2009/06

原子力機構が混相流の可視化と計測技術の一つとして開発を進めてきた中性子イメージング技術に関して原理から最新の応用例までまとめて紹介する。中性子イメージングは、特にアルミニウム合金など軽金属製の複雑形状の容器内での水,オイル,冷媒など軽元素で構成される流体の可視化と計測を得意とする技術であり、さまざまな産業利用,学術利用が期待されている。本報では、さまざまな気液二相流,沸騰二相流,固液二相流の高速度可視化例,高速スキャン中性子4DCTによる可視化例,マルチビーム中性子4DCTによる可視化例を示し、原理と個々の実験の概要を紹介する。

論文

気液界面上において圧力と表面張力の力学的釣合い条件を完全に満足する高精度数値解析手法の非構造格子系における定式化

伊藤 啓; 功刀 資彰*; 大島 宏之

混相流, 23(1), p.77 - 84, 2009/03

複雑な気液二相流現象を評価するために気液二相流数値解析が用いられており、著者らもガス巻込み現象への解析適用性を研究している。そのために、著者らはガス巻込み現象を直接計算できる高精度気液二相流数値解析手法の開発を行っている。その際、ガス巻込み現象は局所体系形状依存性が強いため、複雑形状模擬性に優れる非構造格子を採用している。さらに、気液界面における力学的不釣合いが非物理的挙動を引き起こすことに注目し、本研究では、非構造格子系において圧力と表面張力の力学的釣合い条件を厳密に満足する定式化を行った。本定式化においては、界面における圧力のジャンプ条件と整合する形式で、ラプラスの式に基づく表面著力ポテンシャルを導入した。液中気泡を対象とした検証解析によって、本定式化が非物理的挙動の発生を完全に抑制できることを示した。

論文

稠密炉心内流体混合に伴う差圧変動の評価

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。

論文

超高燃焼水冷却増殖炉開発のための稠密バンドル内熱流動評価

呉田 昌俊; 吉田 啓之; 玉井 秀定; 大貫 晃; 秋本 肇

混相流研究の進展, 3, p.99 - 109, 2008/06

稠密バンドル内を流れる沸騰流のボイド率を実験及び解析を比較することで評価した。ロッド数が7本,14本,19本,37本,間隙が1.0$$sim$$1.3mmのバンドル試験とスペーサ効果試験の5種類のボイド率試験を0.1$$sim$$7.2MPaの圧力範囲で実施した。過度解析コードTRAC-BF1,1次元ドリフト・フラックスモデルの拡張性について調べた結果、クオリティ及びボイド率が比較的高い条件において、TRAC-BF1及びモデルは実験値とよく一致することがわかった。先進的な数値解析コードであるNASCA, ACE-3D, TPFITの稠密バンドルへの適用性を、中性子トモグラフィで計測した3次元ボイド率分布と比較し検証した。これらのコードによるボイド率計算値は実験値と定性的に同じ傾向を計算できることを確認した。蒸気及び水の分布や速度分布に関して実験データをもとに考察した。37本高圧限界出力試験において流路中央部で沸騰遷移現象が生じた原因として、流路中央部での局所液ホールドアップが低くなり、液膜が局所的に薄くなることで生じたものと推察された。

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