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高瀬 和之; 北村 竜明*; 久米 悦雄; 一宮 浩一*; 駒田 一郎*
日本機械学会関東支部山梨講演会(2003)講演論文集,No.030-4, p.77 - 78, 2003/00
加速器駆動核変換システムのターゲット窓形状の最適化のための研究を山梨大学と協力して行っている。本論文は原研が担当した数値解析による予備検討結果をまとめたものである。ターゲット窓は高エネルギー陽子ビームによって高熱負荷を受けるため、衝突噴流による除熱性能の向上が考えられている。ターゲット内は乱流であり、したがって数値解析には適切な乱流モデルが必要である。従来の研究から、衝突噴流場では壁面近傍の乱流成分による主流への影響が無視できないことを著者らは指摘した。本研究では、壁面近傍の乱流成分を高い精度で予測できると期待される低レイノルズ数乱流モデルを使って、現設計のターゲット形状を模擬した体系で2次元乱流解析を行い、乱れの等方性と非等方性による解析結果への影響を定量的に調べた。非等方性乱流モデルで予測した噴流衝突時の流速や乱流エネルギーの分布は実験結果の傾向をおおむね模擬できることを示した。
高瀬 和之
Nuclear Technology, 118(2), p.175 - 185, 1997/05
被引用回数：5 パーセンタイル：42.84(Nuclear Science & Technology)スペーサリブ付き環状燃料チャンネルの乱流熱伝達特性を、実験的及び数値解析的に調べた。実験は、最高温度1000
C、圧力4MPaのヘリウムガス条件下で実施され、熱伝達率、摩擦係数、圧力損失、流路内外面温度等の各分布が定量評価された。一方、乱流計算には従来から実績のあるk-
2方程式モデルを使用した。著者はすでに層流域並びにレイノルズ数が5000以上の乱流域に対して、熱伝達率と摩擦係数の各実験結果と15%以内の誤差で一致する解析を得ている。今回は特に、k-モデル定数の1つであるCu値並びに乱流プラントル数を見直すことにより、数値的に十分な精度で予測できるレイノルズ数範囲を3000にまで低下させることに成功した。本研究により、スペーサリブ付き環状流路の伝熱性能を数値解析的に十分評価できる見通しが得られた。
高瀬 和之
Experimental Thermal and Fluid Science, 13(2), p.142 - 151, 1996/08
被引用回数：8 パーセンタイル：49.95(Thermodynamics)高温高圧条件のもとで3次元または2次元突起を有する環状流路の熱流動特性を調べた。3次元突起を有する環状流路の熱伝達率と摩擦係数は、平滑環状流路の値に比べてそれぞれ乱流域では23%、26%、層流域では21%、17%増加した。熱伝達率と摩擦係数が増加した主な理由として、従来考えられていた3次元突起による伝熱促進効果に加えて流路断面縮小による加速流の影響が無視できないことを実験的に明らかにした。一方、2次元突起を有する環状流路の熱伝達率と摩擦係数は、3次元突起のそれぞれの値に比べて乱流域では50%以上増加するものの、遷移域から層流域にかけては3次元突起の値を下回り、むしろ平滑環状流路の値に近づく結果が得られた。本研究により、この現状は流路の壁面粗さと粘性底層の関係から説明できることが分かった。さらに、2次元突起の伝熱性能は3次元突起の場合に比べて、本実験の範囲では流量一定の条件では約50%、ポンプ動力一定の条件でも約30%以上向上することを確認した。
高瀬 和之; 秋野 詔夫
JAERI-Research 96-031, 24 Pages, 1996/06
JAERI-Research-96-031.pdf:0.94MB
ピン・イン・ブロック型高温ガス炉で使用される3次元スペーサリブ付き環状燃料チャンネルの伝熱流動特性を、レイノルズ数が3000以上の十分に発達した乱流条件下で3次元熱流動計算を行って数値的に解析した。乱流計算には、従来から実績のある
-2方程式乱流モデルを使用した。筆者らはすでに、レイノルズ数が5000以上の乱流域に対して、熱伝達率と摩擦係数の各実験結果と15%以内の誤差で一致する解析結果を得ている。今回は、-乱流モデル定数と乱流プラントル数をJonesとLaunderによって提唱された標準値から改良した。その結果、数値的に十分な精度で熱伝達率と摩擦係数を予測できるレイノルズ数範囲を5000から3000に低下させることに成功した。本研究により、高温ガス炉の定格運転条件である3000以上のレイノルズ数領域における炉心熱設計を数値解析的に十分評価できる見通しが得られた。
文沢 元雄; 菱田 誠
Nuclear Technology, 109, p.123 - 131, 1995/01
被引用回数：1 パーセンタイル：17.53(Nuclear Science & Technology)高温ガス炉のスタンドパイプ破断時空気浸入事故に関連して、垂直の環状流路、垂直・傾斜の円管流路をとおるヘリウム・空気置換流実験を行った。またマッハツェンダ干渉計により非定常濃度分布の可視化を行い、流動様式を観察した。その結果、環状流路の内筒が14mm以上(等価直径6mm以下)になると置換流量が低下すること、傾斜円管流路の流動様式は安定した分離流となること、また垂直の環状流路の流動様式は分離流となっている可能性のあることが分った。
高瀬 和之; 秋野 詔夫
Proc. of the 30th Intersociety Energy Conversion Engineering Conf., 0, P. 95_169, 1995/00
HTTRのようなピン・イン・ブロック型燃料体の場合、冷却材であるヘリウムガスは燃料棒外径と冷却孔内径とで構成される燃料チャンネルを下向きに流れながら加熱される。燃料チャンネルは等価直径が10mm以下の環状流路で、燃料棒と冷却孔とのクリアランスを一定に保つために燃料棒外表面にはスペーサリブと呼ばれる突起が設けられている。本研究はスペーサリブを有する環状燃料チャンネルに対して、3次元乱流解析を行って燃料チャンネルの熱流動特性を数値的に評価したものである。数値予測した燃料チャンネルの熱伝達率や摩擦係数はHENDELにおける従来の実験結果と15%以内の誤差で一致し、本解析で得た数値データは十分な精度で実現象を模擬しているものと考えられた。本研究で明らかにしたスペーサリブ周りの局所の熱伝達率や乱流エネルギー分布等を通して、粗面付き環状流路の伝熱促進機構の解明に大きな成果を得ることができた。
高瀬 和之; 秋野 詔夫
The 3rd JSME/ASME Joint Int. Conf. on Nuclear Engineering (ICONE),Vol. 1, 0, p.535 - 540, 1995/00
ピン・イン・ブロック型炉心構造であるHTTRの場合、冷却材であるヘリウムガスは燃料棒と燃料チャンネルとで構成される環状流路を下降しながら、燃料棒によって最高950Cの出口温度にまで加熱される。この際、燃料温度は1200C以上の高温となるため、将来の高出力密度炉心では設計余裕(燃料使用最高温度との差)を十分に確保できない。そこで、燃料温度を現状よりも低下させるための一手段として、対流伝熱促進を期待した粗面燃料棒による伝熱流動実験が行われ、その熱流動特性が調べられた。本研究はこの実験結果をもとに、矩形突起付き環状流路内の熱流動解析を行って熱伝達率の数値予測の妥当性を評価したものであり、本成果は高温ガス炉用高性能燃料棒の開発や原子力熱エネルギー輸送機器の高効率化等に利用できるものである。
数土 幸夫
日本機械学会論文集,B, 60(576), p.2888 - 2894, 1994/08
垂直環状流路での対向二相流下での落下水制限即ちフラッディングの特性評価に関し、著者が先に円管、矩形流路に適用したと同じ「流路全体について気液の運動量の釣り合い式を考え、落下液膜厚さに関し落下水量が最大となる条件」を落下水制限メカニズムを与えるとしたモデルを適用し検討した結果、既存の実験結果を非常に高い精度で予測できることがわかった。解析の対象とした既存の実験は、流路長0.46~1.22m、周長0.91~1.85m、流路ギャップ12.7~50.8mmの環状流路及びこれを模擬した平板状流路であり、試験流体は空気-水系と蒸気-水系の2種類である。
日本混相流学会*; 三流体詳細熱流動解析コード検討専門委員会*
PNC TJ9565 94-001, 530 Pages, 1994/03
本研究では、三流体モデルに基づく混相流の数値解析技術の高度化を目的として、(1)数値計算手法の改良、(2)質量輸送の構成方程式に関する調査検討、(3)抗力と剪断応力の構成方程式に関する検討、(4)水・蒸気系及び水・空気系実験データの構築と解析、(5)環状噴霧流の実験技術に関する調査、(6)基礎方程式に関する検討が3年間にわたって実施された。その結果、支配方程式の完全な多流体モデル化、三流体モデルの数値的安定性の解明、安定性に優れた解法の確立、適切性の判定、数学的に適切で物理的にも合理的な基礎方程式系の提示、液滴付着率、発生率に関する既存の構成方程式の定量的比較検討、界面せん断力、壁面摩擦、液膜厚さの理論的評価方法の提示がなされた。また、実験解析により、現状のFIDASのモデルにより、大気圧条件下の限界熱流束を精度良く予測できること、及び水・空気系環状噴霧流の液膜厚さ、液滴流量に関しても定性的に良好に予測できることが確認された。
日本混相流学会*; 三流体詳細熱流動解析コード検討専門委員会*
PNC TJ9565 93-001, 265 Pages, 1993/04
本研究では、三流体モデルに基づく混相流の数値解析技術の高度化を目的として、1)数値計算手法の改良、2)基礎方程式の妥当性の検討、3)構成方程式の調査・検討、4)構成方程式の理論モデルの開発、5)水・蒸気系及び水・空気系実験データの解析を実施した。その結果、支配方程式の完全な多流体モデル化、三流体モデルの数値的安定性の解明、安定性に優れた解法の確立、数学的に適切で物理的にも合理的な基礎方程式系の提示、液滴発生率に関する既存の構成方程式の定量的比較検討、界面せん断力の理論的評価方法の提示がなされた。また、実験解析により、現状のFIDASのモデルにより、大気圧条件下の限界熱流束を精度良く予測できること、及び水・空気系環状噴霧流の液膜厚さ、液滴流量に関しても定性的に良好に予測できることが確認された。
文沢 元雄; 菱田 誠
Proc. of the 2nd ASME/JSME Nuclear Engineering, p.85 - 92, 1993/00
高温ガス炉のスタンドパイプ破断時空気浸入事故に関連して、垂直及び傾斜した環状流路を通るヘリウム・空気置換流(対向流)実験を行った。またマッハツェンダ干渉計により非定常濃度分布の可視化を行い、流動様式を観察した。その結果、環状流路の内筒が14mm以上(等価直径6mm以下)になると置換流量が低下すること、垂直の環状流路の流動様式は傾斜円管流路の場合と同様に安定した分離流となっている可能性があることが分かった。
阿部 豊; 秋本 肇; 村尾 良夫
Journal of Nuclear Science and Technology, 28(3), p.208 - 217, 1991/03
二流体モデルを用いて対向流の解析を行う場合、流体に働く剪断応力の評価精度が重要になる。しかしながら、現在対向流の解析に用いられているのは並向流で得られた相関式や壁面摩擦を無視した相関式等である。これらの相関式を用いた二流体モデルによる対向流の予測計算では、落水流量等が十分な精度で予測できていない。本研究では、対向流における界面および壁面剪断応力を知るため、円環状の液膜と気相のコアとが分離して流れると仮定した解析モデルを作成、対向流状況下における剪耐応力分布を解析的に評価した。その結果、並向流で得られた相関式や壁面摩擦を無視した相関式等が対向流に対して拡張できないことを明らかにするとともに、二流体モデルで使用できる対向流条件したでの界面剪断応力係数と壁面剪断応力係数に関する新たな式を作成した。
藤井 貞夫*; 秋野 詔夫; 菱田 誠; 河村 洋*; 佐野川 好母
JSME Int. J., Ser. 2, 34(3), p.348 - 354, 1991/00
内管を加熱した環状流路内高熱流束加熱ガス流の伝熱実験を行った。実験では、特に層流と乱流との遷移域に焦点をあてている。本実験条件の範囲では、円管内加熱ガス流において確実に発生する層流化現象の発生は、環状流路においては観察されなかった。しかも、熱流束がある値以上では、下流域の熱伝達率は熱流束には依存しない関係式Nu
=0.071Re
Pr
に従うようになる。以上の実験事実を基に、3つの乱流モデルk-kL-uv、k--uv及びk-を取り上げて数値解析を行った結果、k-kL-uvモデルが他の2つのモデルに比べて、実験値とより良好な一致を示すことがわかった。
阿部 豊; 秋本 肇; 村尾 良夫
6th Proc. of Nuclear Thermal Hydraulics, p.401 - 408, 1990/11
気液対向二相流は、軽水炉の冷却材喪失事故における最も重要な現象の一つである。現在の二流体モデルコードの対向流に対する予測精度を調べるために、Bharathanらによる垂直単管での実験データを用いた評価計算を行なった。その結果、RELAP5やTRAC-PF1の相関式を用いた計算では、対向流における落水流量が過大評価されることが分かった。そこで、定常の環状流を仮定した解析モデルにより、対向流状況下における剪断応力を評価したところ、TRAC-PF1で用いられている並向流でのWallisの式が対向流に対して拡張できないこと、RELAP5で用いられているBharathanらの式では無視されている壁面剪断応力が界面剪断応力に比較して無視できるほど小さくなく、現在の二流体モデルが対向流条件下での落水を過大に評価するのは壁面剪断応力の過小評価に原因があることを明らかにした。
阿部 豊; 秋本 肇; 村尾 良夫
Transactions of the American Nuclear Society, 62, p.719 - 720, 1990/11
気液対向二相流は、軽水炉の冷却材喪失事故における最も重要な現象の一つである。現在の二流体モデルコードの対向流に対する予測精度を調べるために、Bharathanらによる垂直単管での実験データを用いた評価計算を行なった。その結果、RELAP5やTRAC-PF1の相関式を用いた計算では、対向流における落水流量が過大評価されることが分かった。そこで、定常の環状流を仮定した解析モデルにより、対向流状況下における剪断応力を評価したところ、TRAC-PF1で用いられている並向流でのWallisの式が対向に対して拡張できていないこと。RELAP5で用いられているBharathanらの式では、無視されている壁面剪断応力が界面剪断応力に比較して無視できるほど小さくなく、現在の二流体モデルが対向流条件での落水を過大に評価するのは、壁面剪応力の過小評価に原因があることを明らかにした。
小川 益郎; 秋野 詔夫; 椎名 保顕; 藤村 薫; 武田 哲明; 江森 恒一; 大内 光男; 河村 洋; 菱田 誠
Journal of Nuclear Science and Technology, 24(1), p.75 - 83, 1987/01
被引用回数：1 パーセンタイル：19.35(Nuclear Science & Technology)高温ガス炉(VHTR)の制御棒流路における冷却材流れの流量配分と総圧力損失に関する流動特性について、実験と解析を行った。実験では、常温のヘリウムガスを用いて、ガラス圧を0.42MPa以下、総質量流量を0.005kg/Sから0.05kg/Sの範囲で変えた。制御棒流路の圧力損失と流量を測定した。解析では、制御棒の内側、外側、間隙の各流路に対して、一次元管路網モデルを用いた数値計算を行った。解析結果は、制御棒流路の冷却材流れの流量配分及び総圧力損失に関する実験結果と良く一致した。
藤村 薫; 椎名 保顕
日本原子力学会誌, 28(6), p.524 - 526, 1986/00
被引用回数：0 パーセンタイル：0.35(Nuclear Science & Technology)多目的高温ガス炉炉心内冷却材の、低流量時における流動特性を把握する目的で、乱流への遷移過程を実験的に調べた。その結果、環状流路においても、円管におけると類似の突発型遷移が発生すること、スペーサーリブを設けた環状流路においては、燃料チャンネルの実効長さの範囲内では断面を一様に覆う間欠的な乱流領域が発生しないことが明らかになった。
橋本 憲吾; 秋野 詔夫; 藤井 貞夫*
JAERI-M 83-018, 17 Pages, 1983/02
環状流路内を層流状態て流れるガス流を高温高熱負荷条件て加熱する場合の伝熱流動特性を明らかにする目的で、物性値変化を考慮し、境界層近似を行ったナビエ・ストークス方程式とエネルギー方程式を差分法によって数値解析し、加熱時における摩擦係数とヌッセルト数を求めた。その結果によれば、加熱が強くなるに従がって摩擦係数は増大する傾向か見られるが、ヌッセル卜数に対する依存性はほとんど見られない。さらに、応用例として、流路内外壁面問のふく射による熱移動及び流れ方向に非一様な熱流束分布を有する高温ガス炉燃料要素の場合に本解析を適用して、燃料温度や圧力損失等の熱特性を検討した。
柴本 泰照; 与能本 泰介
no journal, ,
大気圧下での水-空気環状噴霧流に対する液滴径分布を計測した。試験部は直径12mmの垂直円管で、管壁の液膜を吸出しによって除去することで流路中央の噴霧流のみを取出し、そこにレーザーを照射して光の回折法によって液滴径分布を計測した。液膜の吸出しを真空引きで行ったことで流路内を大気圧付近に保持し、これによってレーザー可視部を窓無しにして、窓ガラス汚れによる計測エラーを回避した。計測結果の統計処理から得られたSauter平均径は空気のみかけ流速の増加と共に単調に減少する結果となったが、水のみかけ流速に対しては複雑な依存性を示した。流路内の同心軸上に円柱状の障害物を置いた実験も実施した。流路閉塞率を変えた3種の障害物の影響を調査したところ、粒子径分に対する障害物の影響は大きなものではないが、Sauter平均径の評価で最大で20%程度減少する結果が得られた。
鳥川 智旦*; 大平 直也*; 伊藤 大介*; 伊藤 啓*; 齊藤 泰司*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁
no journal, ,
ナトリウム冷却高速炉の炉容器内自由液面において、渦によるガス巻込みが発生する可能性がある。ガス巻込み流量が大きいとき、ガスが炉心部に流入すると炉出力擾乱の原因となり得るため、自由界面渦によるガス巻込み流量を評価することが求められる。本研究では、既往研究で未検討であった渦軸方向の圧力勾配の影響について、上部水槽と下部水槽を吸込み管で繋いだ体系によるガス巻込み流量計測実験及び吸込み管内気液二相流の可視化観察に基づく検討を行った。圧力勾配とガス巻込み流量の関係について、渦軸方向圧力勾配がほぼ一定でガス巻込み流量のみが増加する領域と、渦軸方向圧力勾配の増加にともなってガス巻込み流量が増加する領域が存在し、前者では吸込み管内に旋回環状流が形成され、後者では気液界面の乱れにより液プラグが発生することが分かった。また、上部水槽の液位が高くなるほど、旋回環状流の気相領域が細くなり、液プラグが発生しやすくなるため、小さいガス巻込み流量で流動形態の変化が起こることが分かった。
