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相馬 秀; 石垣 将宏*; 安部 諭; 柴本 泰照
Nuclear Engineering and Technology, 10 Pages, 2024/00
When analyzing containment thermal-hydraulics, computational fluid dynamics (CFD) is a powerful tool because multi-dimensional and local analysis is required for some accident scenarios. According to the previous study, neglecting steam bulk condensation in the CFD analysis leads to a significant error in boundary layer profiles. Validating the condensation model requires the experimental data near the condensing surface, however, available boundary layer data is quite limited. It is also important to confirm whether the heat and mass transfer analogy (HMTA) is still valid in the presence of bulk condensation. In this study, the boundary layer measurements on the vertical condensing surface in the presence of air were performed with the rectangular channel facility WINCS, which was designed to measure the velocity, temperature, and concentration boundary layers. We set the laminar flow condition and varied the Richardson number (1.0-23) and the steam volume fraction (0.35-0.57). The experimental results were used to validate CFD analysis and HMTA models. For the former, we implemented a bulk condensation model assuming local thermal equilibrium into the CFD code and confirmed its validity. For the latter, we validated the HMTA-based correlations, confirming that the mixed convection correlation reasonably predicted the sum of wall and bulk condensation rates.
小野寺 直幸; 井戸村 泰宏; 長谷川 雄太; 下川辺 隆史*; 青木 尊之*
計算工学講演会論文集(CD-ROM), 27, 4 Pages, 2022/06
我々の研究グループでは、風況デジタルツインの実現に向けて、風況解析コードCityLBMを開発している。CityLBMは、計算領域周辺の境界条件をメソスケール気象データに同化させるナッジング法を導入することで、現実の風況を反映した解析が可能である。しかしながら、従来のナッジング法では、ナッジング係数が一定のため、大気状態が変化するような長時間解析の乱流強度を再現できない問題点が挙げられる。そこで、本研究では、パーティクルフィルタを用いた動的なナッジング・パラメータの最適化手法を提案する。CityLBMの検証として、米国オクラホマシティの風況実験に対する解析を実施した。シミュレーションと観測のそれぞれで得られる乱流強度の誤差を低減するようにナッジング係数を更新した結果、シミュレーションにおいて終日の大気境界層を再現できることを確認した。
朝倉 伸幸; 竹永 秀信; 櫻井 真治; Porter, G. D.*; Rognlien, T. D.*; Rensink, M. E.*; 清水 勝宏; 東島 智; 久保 博孝
Nuclear Fusion, 44(4), p.503 - 512, 2004/04
被引用回数：73 パーセンタイル：89.58(Physics, Fluids & Plasmas)境界層(SOL)におけるプラズマ流は粒子排気や不純物制御へ影響し、その発生機構の解明とダイバータ・プラズマへの影響の評価が求められている。本論文は、プラズマ流の方向や速度を2か所での測定結果から明らかにするとともに、ダイバータへ輸送される粒子束を、強磁場側と低磁場側で初めて定量的に評価した。さらに、ドリフト効果を導入したSOLプラズマ・シミュレーション計算(UEDGE)を行い、測定された流速分布や逆流の発生などの現象が、定性的に再現されることを見いだした。さらに、プライベート部におけるドリフト流による粒子束も評価し、ダイバータ粒子束の内外非対称性が発生する原因であることを明らかにした。実験炉ITERにおけるダイバータ設計の最適化のために、ドリフト効果の検討が必要であることを示唆した。さらに、ガスパフとダイバータ排気を行う際、高磁場側でのSOL流と粒子束が増加することにより、主プラズマ中の不純物イオンを低減することを初めて明らかにした。
井田 瑞穂*; 中村 秀夫; 中村 博雄; 竹内 浩
Fusion Engineering and Design, 70(2), p.95 - 106, 2004/02
被引用回数：18 パーセンタイル：73.97(Nuclear Science & Technology)IFMIFターゲットの液体リチウムは最大20m/sの高速で凹面状背面壁に沿って流れ、重陽子ビームによる1GW/m
の高熱負荷を除去するとともに、中性子場を安定に形成することが求められている。この高速流を剥離なく生成するために考案された絞り比10の2段絞りノズルの妥当性を確認するため流体解析にて1段絞りノズルと比較した。その結果、2段絞りノズルでは高速,高絞り比でも剥離が見られず、ノズル出口での境界層厚さと自由表面流の厚さ変動の点で優れていたので、IFMIFターゲットに採用し、その具体的形状も決定した。また、ターゲットアセンブリの形状や配置を決定するため、以前実施された熱流動解析の結果に考察を加え、背面壁の曲率半径の許容範囲を明確にし、ターゲットの設計に反映させた。
朝倉 伸幸; 櫻井 真治; 伊丹 潔; 内藤 磨; 竹永 秀信; 東島 智; 小出 芳彦; 坂本 宜照; 久保 博孝; Porter, G. D.*
Journal of Nuclear Materials, 313-316, p.820 - 827, 2003/03
被引用回数：36 パーセンタイル：89.54(Materials Science, Multidisciplinary)プラズマ流の方向や速度は、粒子排気や不純物制御へ影響するため、その発生機構の解明とダイバータ・プラズマへの影響の評価が求められている。本論文は、トカマク強磁場側でのプラズマ流測定を含む3か所での測定結果から、プラズマ流の方向や速度を明らかにするとともに、ドリフト運動の影響を評価した。(1)強・弱磁場側SOLにおいてダイバータへ向かう粒子束を、磁力線に沿う流れとドリフトによる流れを考慮して定量的に評価した。さらに、プライベート部におけるドリフト流による粒子束も評価し、この粒子束がダイバータでの粒子束の内外非対称性の発生に寄与することを明らかにした。(2)大量ガスパフとダイバータ排気により、主プラズマ中の不純物イオンを低減できると考えられているが、SOL流と粒子束の変化を、強・弱磁場側で評価した。特に、強磁場側の密度が増加し、ダイバータへの粒子束が増加することを明らかにした。このため、遮蔽効果が改善されると思われる。(3)新たに、ドリフト効果をSOLプラズマ・シミュレーション計算(UEDGE)に導入し、プラズマの逆流などが発生することを見いだした。
朝倉 伸幸; 清水 勝宏; 仲野 友英; 東島 智; 久保 博孝; 竹永 秀信
Proceedings of 30th EPS Conference on Controlled Fusion and Plasma Physics (CD-ROM), 4 Pages, 2003/00
ガスパフを行う位置は、周辺及びダイバータ・プラズマの密度や温度を制御するために重要な要素である。JT-60Uトカマクで主プラズマの上側及びダイバータ部からガスパスを行い、マッハプローブを使用して、プラズマ密度と流速を高磁場及び低磁場側境界層で測定した結果を示す。ダイバータ排気と同時に、主プラズマの上側からガスパフを行った場合、特に高磁場側の境界層で密度と流速が増加する。この際、主プラズマ中の不純物イオンの量が減少した。実験データの解析から、ダイバータへ向かうイオン粒子流による不純物への摩擦力が、高磁場側で2-3倍程度増加したことがわかり、遮蔽効果が向上したと考えられる。さらに、これらの実験で測定したプラズマ分布をもとに、不純物輸送コードを使用し、ダイバータから発生する不純物イオンの輸送解析を行った。その結果と測定した不純物イオンの発光データとを比較し、ダイバータにおけるプラズマ流の増加と不純物輸送への影響について議論する。
朝倉 伸幸; 竹永 秀信; 櫻井 真治; 逆井 章; 玉井 広史; 清水 勝宏; Porter, G. D.*
Plasma Physics and Controlled Fusion, 44(10), p.2101 - 2119, 2002/10
被引用回数：21 パーセンタイル：55.8(Physics, Fluids & Plasmas)JT-60Uでは、プライベート領域から排気を行うW型ダイバータを利用して、粒子制御実験を行っている。両側排気実験では、外側排気溝を塞いだ内側排気実験と比較し、粒子排気量が低下する傾向が見られた。この理由として、両側排気ダイバータではドーム下の共通排気溝をとおり、外側の排気溝からのリークが考えられる。非接触ダイバータでは、粒子排気量は内側排気実験と同程度に増加する。内外リサイクリングの非対称性が大きい場合、内外排気溝における圧力を均等にする運転あるいは、排気設備の内外分離が望まれる。マッハ・プローブ測定により、主プラズマ周辺部のプラズマの流れが明らかになった。プラズマ流の発生機構は、トーラス形状におけるイオン・ドリフトを考慮すると説明できる。新たに高磁場側(内側)境界層でマッハプローブにより、内側ダイバータ方向へのプラズマ流を測定した。低磁場側境界層から高磁場側への磁力線に沿うプラズマ流の存在を見いだし、ドリフト効果の可能性を検討中である。この効果の導入により、ダイバータプラズマの実験結果をより定量的に説明できることが期待され、ダイバータ設計の最適化に寄与できると考える。
朝倉 伸幸; 櫻井 真治; 内藤 磨; 伊丹 潔; 三浦 幸俊; 東島 智; 小出 芳彦; 坂本 宜照
Plasma Physics and Controlled Fusion, 44(5A), p.A313 - A321, 2002/05
被引用回数：22 パーセンタイル：57.12(Physics, Fluids & Plasmas)核融合炉のダイバータにおける照射エネルギー,時間,及び幅を予測するために、特にELM発生後に放出されダイバータ板に到達する熱・粒子束の輸送過程について、解明する必要がある。本発表では、ELMy Hモードプラズマにおいて、ELM発生直後、磁力線方向に発生するプラズマ流を、トカマク装置では初めて3箇所(外側赤道面,ダイバータX点及び内側バッフル上)のポロイダル位置に設置したマッハプローブで同時測定した結果を示す。X点下の外側ダイバータで測定したプラズマ流速は、ELM発生後、100-200
s間のみマッハ速度1(イオン音速)程度に増加する。また、増加が観測されたSOL幅はセパラトリクスから1-1.5cm(赤道面の磁気面へマッピング)外側に限られた。高速赤外カメラで、熱流束の急速な増加を観測したが、熱流の照射時間は、カメラの時間分解能程度(250s)であり、熱流束の幅は、1cm程度であった。この結果から、多くが熱流束はプラズマ対流輸送によることを明らかにした。これに対し、内側境界層においては、ELM直後ダイバータへの高速のプラズマ流が観測されず、むしろ流れの逆転が観測された。今後、予行過程の理解が必要である。
朝倉 伸幸; Loarte, A.*; Porter, G.*; Philipps, V.*; Lipschultz, B.*; Kallenbach, A.*; Matthews, G.*; Federici, G.*; Kukushkin, A.*; Mahdavi, A.*; et al.
IAEA-CN-94/CT/P-01, 5 Pages, 2002/00
実験炉ITERダイバータ設計と運転に関する重要な以下の3つの物理課題について、既存装置(JET, JT-60U, ASDEX Upgrade, DIII-D, Alcator C-Mod and TEXTOR)の実験データやシミュレーション解析から得られた成果についてまとめた。(1)タイプ1ELMの熱負荷により、ダイバータ板の運転寿命が決まる可能性がある。ELM熱負荷のスケーリングモデルを決める物理ベースを理解するため、ELM熱流と粒子流の輸送過程に関する最新のデータから、各装置において対流熱輸送過程(convective transport)が重要であることを明らかにした。(2)境界層(SOL)におけるプラズマ流に関する各装置のデータと、ドリフト効果を導入したSOLプラズマ・シミュレーション(UEDGE)の計算結果が定性的に一致することを見いだした。ITERにおけるダイバータ設計の最適化のために、ドリフト効果の検討が必要であることを示唆した。(3)各装置における炭素ダイバータ板の化学損耗率のデータから、その表面温度,入射粒子束,吸着層の状態に関する依存性をまとめた。
日高 昭秀; 柴崎 博晶*; 吉野 丈人*; 杉本 純
Journal of Aerosol Science, 31(9), p.1045 - 1059, 2000/09
被引用回数：1 パーセンタイル：18.21(Engineering, Chemical)シビアアクシデント時の曲管及び鉛直管内におけるCsIエアロゾル挙動を調べるため、原研では直角の曲部を持つ可視化用石英管を用いてWAVE実験を行った。また、曲管の下流側を水平、鉛直上向き、下向きに変えて、配管の方向がエアロゾル挙動に及ぼす影響を調べた。その結果、上向き鉛直管への沈着量は下向き鉛直管のそれに比べて10倍以上となった。解析では、エアロゾルの主要な沈着機構はガスの温度勾配に依存する熱泳動であるため、原研の3次元熱流動解析コードWINDFLOWの結果をエアロゾル挙動解析コードART計算に反映させることにより、沈着現象をほぼ再現できることを示した。ただし、上向き鉛直管については、低温の内壁に沿って主流と逆向きの自然対流が発生するため、その影響を考慮して熱泳動モデルの主要なパラメータである熱拡散境界層厚さ及びヌッセルト数を再評価する必要性を明らかにした。
日高 昭秀; 柴崎 博晶*; 丸山 結; 吉野 丈人*; 杉本 純
NEA/CSNI/R(98)4, 14 Pages, 2000/02
シビアアクシデント時の層流条件下の曲管内におけるCsIエアロゾル挙動を調べるため、原研では直角の曲部を持つ可視化用石英管を用いてWAVE実験を行った。また、曲管の方向がエアロゾル挙動に及ぼす影響を調べるため、下流側が水平、鉛直上向き、下向きの3ケースについて実験を行い、それらを原研の3次元熱流動解析コードWINDFLOW及びエアロゾル挙動解析コードARTを用いて解析した。その結果、エアロゾルの主要な沈着機構はガスの温度勾配に依存する熱泳動であるため、WINDFLOWによって計算された曲管部の詳細な熱流動をART計算に反映させることにより、曲管付近の沈着現象を適切に再現できた。しかしながら、鉛直曲管については、低温の内壁に沿って下降流が発生するため、その影響を考慮して熱泳動モデルの主要なパラメータである熱拡散境界層厚さ及びヌッセルト数を再評価する必要を明らかにした。
村松 壽晴
PNC TN9410 94-182, 29 Pages, 1994/06
炉心構成要素毎の熱流力特性(集合体発熱量、集合体流量)の違いから、炉心燃料集合体間あるいは炉心燃料集合体・制御棒集合体間などで冷却材に温度差が生じ、それらが混合する過程で不規則な温度ゆらぎ挙動が原子炉の炉心出口近傍に発生する。この温度ゆらぎを伴った冷却材が、炉心上部機構各部(整流筒、制御棒上部案内管、集合体出口温度計装ウェルなど)の表面近傍を通過する際に、冷却材中の不規則な温度ゆらぎが構造材中に伝播すると、その材料は高サイクル熱疲労を受ける(サーマルストライピング)。特に、冷却材として液体金属ナトリウムを使用する高速増殖炉では、高い熱伝導率を持つ液体金属ナトリウムの性質から大きな熱疲労の発生が懸念されている。本報では、分子拡散効果が乱流拡散効果に対して相対的に卓越する液体金属流の温度ゆらぎ評価に対するDINUS-3コードの適用性を検討するため、非等温平行噴流ナトリウム実験の解析を行い、水を作動流体とした同実験結果との比較検討を行った。この結果、実験により既に確認されている以下の特性を、模擬できることが確かめられた。(1)ナトリウムを作動流体とした場合の境界層よる温度ゆらぎ振幅の減衰量は、境界層厚さが水の場合の約1/4と薄いため、水を作動流体とした場合の約1/3倍に留まる。ナトリウムを作動流体とした場合、境界層厚さが薄くなる主な原因は、分子拡散効果が卓越することにより境界層内での状態量が急速に平坦化されるためである。(2)ナトリウムを作動流体とした場合の確率密度関数の標準偏差は、水を作動流体とした場合の約半分となる。これは、ナトリウムが持つ高い熱伝導率と小さな分子粘性に起因するものであり、現象自体が小渦塊スケールに支配されるためである。(3)作動流体の違いによる温度ゆらぎ頻度分布特性の変化は、実験において未だ現象論的解釈が行われていないものの、実験で確認されているその特性の変化、すなわち、水を作動流体とした場合の温度ゆらぎ頻度分布がレイリー分布に従い、またナトリウムを作動流体とした場合のそれが指数分布となる実験的事実はDINUS-3コードによって模擬可能である。以上より、DINUS-3コードは、分子拡散効果が相対的に卓越する液体金属温度ゆらぎ現象の評価に対しても十分な適用性を持つことが確認された。
山澤 弘実
天気, 40(2), p.99 - 107, 1993/02
粒子拡散モデル、乱流クロージャーモデル及び1次元境界層モデルを用いて機械的乱流が卓越する場合及び熱的乱流が卓越する場合について、広がりパラメータ
,
について議論した。ラグランジュの時間スケールの水平対鉛直の比は5程度であると推定された。近中立の場合の計算結果はパスキルチャートの安定度Dの値と良い一致を示した。,は粗度が大きいほど大きくなるが、風下遠距離では粗度の違いによる差は小さい。,は放出高が高いほど小さくなるが、特にでは放出高依存性は小さい。熱的混合層が発達する場合の,の日変化が得られた。は日中に大きくなるが、風下遠方では混合層高度Hmにより制限され、Hm/√3程度の値を持つ。
椎名 保顕
日本機械学会論文集,B, 53(496), p.3742 - 3747, 1987/00
球内における自然対流熱伝達の解析を積分型境界層方程式を用いて行い、結果を半球内自然対流実験結果と比較した。その結果、平均ヌッセルト数は約15%以内で、解析と実験は比較的良く一致することが示された。
功刀 資彰; 河村 洋
乱流の数値シミュレーション, p.63 - 71, 1987/00
最近の乱流モデル計算には、従来からの2方程式モデルに加えて、レイノルズ応力モデルが広く用いられるようになってきた。しかし、高次モデルほど経験定数が多くなり、その最適値に対する検討も、モデル開発当初に行われたのみであり、またその根拠も必ずしも明らかでない。今後、複雑流れへの高次モデルの適用が数多くなされるであろうが、それに先立って、モデル定数値の見直しを行う必要があると思われる。 そこで、今回はレイノルズ応用モデルとしてASM(算術的応力モデル)をとり上げ、基本的な流れ場(乱流境界層や管内流等)について、経験定数を通常考えられている範囲より広い範囲に変化させ、その影響を検討した。
五明 由夫*; 藤沢 登; 前野 勝樹; 鈴木 紀男; 上原 和也; 山本 巧; 木島 滋
Nuclear Fusion, 18(6), p.849 - 857, 1978/06
被引用回数：19ポロイダルリミターにより形成されるスクレープオフ層での粒子、エネルギー束を、JFT-2トカマクの平均電子密度1.3
10
,2.810cm
の放電について調べ、以下のことが分かった。1.スクレープオフ層では、電子密度が指数関数的に減少し、その程度は、よく知られた理論にボーム拡散を適用することにより説明される。2.プラズマ小半径より1cm以上離れた領域では、リミターへのエネルギー伝達は、マックスウェル分布粒子により形成されるシースにより決められている。3.低い電子密度の場合、リミターの加速電子側では、エネルギー伝達について、加速電子が大きな寄与をする。
伊藤 啓; 江連 俊樹; 功刀 資彰*; 大島 宏之
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の上部プレナム内において、吸込み配管入口にキャビテーションを伴う液中渦が形成される可能性がある。これまで、実験的・解析的研究を進めた結果、キャビテーション気泡の発泡点は炉容器壁面上であることを確認している。このため、液中渦キャビテーション発生を評価する観点からは壁面境界層内における液中渦挙動を評価することが重要であるが、現状では計測精度などの制約によって壁面境界層内の流れ場を明らかにすることは困難である。一方、壁面上に形成される渦流れの理論的研究は、von Karmanによる回転円板上の渦流れやEkman層などが知られているが、それらの流れ場に対して用いられている仮定は液中渦に対しては必ずしも当てはまらない。したがって、本研究では、液中渦キャビテーション評価手法開発の一環として、壁面境界層内における液中渦流れ場のモデル化に関する検討を行い、境界層内の速度分布・圧力分布に関する指針を得る。
