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論文

Turbulence intensity profile in high Reynolds number pipe flow

和田 裕貴; 古市 紀之*; 草野 英祐*; 辻 義之*

Proceedings of 11th International Symposium on Turbulence and Shear Flow Phenomena (TSFP-11) (Internet), 6 Pages, 2019/07

高レイノルズ数壁乱流における外層の乱流強度分布は対数関係を示すことが知られている。また、円管を除く境界層・チャネル乱流では内層の乱流強度のピーク値がレイノルズ数に依存して増加することが報告されているが、円管におけるそれらの傾向については実験データが乏しいことから未だに明らかになっていない。本発表では、高レイノルズ数円管乱流においてLDVにより取得した乱流強度分布をLDVの計測体積による空間分解能の影響を補正した結果を用い、内層の乱流強度のピーク値のレイノルズ数依存性について検討した結果を報告する。また、外層の対数関係についても先行研究結果との比較を行った結果を報告する。

論文

Establishment of numerical model to investigate heat transfer and flow characteristics by using scale model of vessel cooling system for HTTR

高田 昌二; Narayana, I. W.*; 中津留 幸裕*; 寺田 敦彦; 村上 健太*; 澤 和彦*

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 13 Pages, 2019/05

高温工学試験研究炉(HTTR)を使った炉心冷却喪失試験では、財産保護上の観点から、炉容器冷却設備(VCS)において自然対流により加熱される構造物の温度分布の評価精度向上を課題としている。伝熱流動数値解析コードFLUENTをHTTRのVCSに適用するために、予測精度を維持しつつ計算資源を節約できる合理的な2次元モデルの構築を始めた。本評価モデルの検証のため、HTTR用VCSの1/6スケールモデルによる構造物の温度に関する試験結果を使用し、解析による計算結果と比較した。本試験データは、圧力容器の温度を200$$^{circ}$$C前後に設定することで、全除熱量における自然対流伝熱の割合を20%前後と有意なレベルの伝熱現象として測定したものである。自然対流による上昇流の影響で高温となる圧力容器上部の伝熱流動特性の評価精度向上のためには、実形状の模擬および自然対流に適した乱流モデルの選定が重要となる。乱流モデルとして、剥離,再付着及び遷移流れを考慮できるk-$$omega$$-SSTモデルを選定し、従来のk-$$varepsilon$$モデルでは再現されなかった圧力容器の温度分布の試験結果とよく一致していることを確認した。このことから、k-$$omega$$-SSTモデルは、圧力容器上部の温度分布を剥離、再付着および遷移流れを再現できたと考えられ、本モデルはVCSの温度評価の精度向上に有効であることを明らかにした。

論文

A Correction method based on probability density function and measurement volume for turbulence intensity profile measured by LDV in turbulent pipe flow

和田 裕貴; 古市 紀之*; 草野 英祐*; 辻 義之*

Proceedings of 15th International Conference on Flow Dynamics (ICFD 2018) (USB Flash Drive), p.778 - 779, 2018/11

壁乱流における壁面近傍のLDV計測では相対的に測定体積が増大することにより乱流強度が過大評価されることが知られている。本発表では過大評価された測定値から真の乱流強度分布を推定する方法を提案する。円管乱流実験においてLDVでの測定位置を調整することにより相対的な測定体積を変化させて計測した乱流強度分布を用いて本補正法の妥当性について検証する。

論文

Further experiments for mean velocity profile of pipe flow at high Reynolds number

古市 紀之*; 寺尾 吉哉*; 和田 裕貴; 辻 義之*

Physics of Fluids, 30(5), p.055101_1 - 055101_7, 2018/05

 パーセンタイル:100(Mechanics)

This paper reports further experimental results obtained in high Reynolds number actual flow facility in Japan. The experiments were performed in a pipe flow with water, and the friction Reynolds number was varied up to $$Re_{tau}$$ = 5.3 $$times$$ 10$$^{4}$$. This high Reynolds number was achieved by using water as the working fluid and adopting a large-diameter pipe (387 mm) while controlling the flow rate and temperature with high accuracy and precision. The streamwise velocity was measured by laser Doppler velocimetry close to the wall, and the mean velocity profile, called log-law profile $$U^{+}$$ = (1/$$kappa$$) ln(y$$^{+}$$) + $$B$$, is especially focused. After careful verification of the mean velocity profiles in terms of the flow rate accuracy and an evaluation of the consistency of the present results with those from previously measurements in a smaller pipe (100 mm), it was found that the value of $$kappa$$ asymptotically approaches a constant value of $$kappa$$ = 0.384.

論文

Numerical simulation of turbulent heat transfer behind a spacer with small-ribs in a subchannel

高瀬 和之

Proceedings of OECD/NEA & IAEA Workshop on Application of CFD/CMFD Codes to Nuclear Reactor Safety and Design and their Experimental Validation (CFD4NRS-5) (Internet), 11 Pages, 2014/09

超臨界圧水冷却炉の熱設計において、炉心熱効率を向上させるためには炉心出口における冷却材温度を高くすることが必要であるが、このためには燃料温度を高くする必要があり、その結果として燃料被覆管表面温度も上昇するため、被覆管材料の高温劣化が大きな課題であった。そのため、燃料被覆管表面温度の上昇を抑制する一方、冷却材温度の上昇を促進させることが熱設計において期待されていた。そこで、著者は燃料集合体内に存在するスペーサに着目し、スペーサによる伝熱促進効果によって燃料集合体内の熱伝達率を促進させて燃料被覆管表面温度の上昇を抑制することを発案し、そのアイデアの妥当性を数値的に調べた。冷却材である超臨界水の伝熱流動特性を正確に予測するために開発したプログラムを使って、流路入口流速、燃料棒熱流束及びスペーサに設置した微小突起の取り付け角度を種々に変えた条件で計算を行い、スペーサに設けた微小突起によって乱れを促進できること、それに伴って乱流熱伝達率を向上できること、さらには熱伝達率の増大によって燃料被覆管表面温度上昇を抑制できることが明らかになった。

論文

Statistical characteristics of turbulent plasmas dominated by zonal flows

松本 太郎; 岸本 泰明; 宮戸 直亮; Li, J.*

Journal of Plasma Physics, 72(6), p.1183 - 1187, 2006/12

 被引用回数:6 パーセンタイル:74.03(Physics, Fluids & Plasmas)

磁場閉じ込めプラズマでは、さまざまな時定数及び特徴的長さを持つ乱流揺動と、それによって二次的に生成される帯状流とが、相互作用しつつ輸送過程に影響を及ぼす。このような時空間スケールが異なる揺らぎが混在している系における輸送の解析には、シミュレーションによる再現とともに、それらの揺らぎの特性をさまざまな側面から同定し、特徴付けることが重要である。本研究では、ジャイロ流体モデルを用いた電子温度勾配(ETG)モード乱流の3次元スラブ配位シミュレーションを行い、異なる磁場及び温度勾配の条件の下で、帯状流の形成や間歇的な熱流束等の輸送特性と、揺動から得られる相関次元,確率密度関数(PDF)等の統計量との関係を明らかにした。また、電場と圧力揺動とのクロススペクトル解析から、帯状流による乱流輸送の低減が、異なる二つの素過程に起因することを明らかにした。

論文

電子/イオン温度勾配乱流シミュレーションにおけるカオス時系列解析

松本 太郎; 岸本 泰明; Li, J.*

電気学会プラズマ研究会資料 (PST-05-17), p.83 - 86, 2005/03

トカマクをはじめとする磁場閉じ込めプラズマでは、さまざまな時定数及び特徴的長さを持つ乱流揺動と、それによって二次的に生成される帯状流(zonal flows)と呼ばれる層流が、多様な揺らぎの構造を形成し、輸送現象に影響を及ぼしている。このような乱流が支配する輸送の解析には、シミュレーションによる再現とともに、乱流の特性をさまざまな側面から特徴付けることが必要である。カオス時系列解析では、揺動の時系列データ含まれる乱れ(irregularity)を生じさせる原因が、誤差や衝突的統計性(ランダム)に起因するのではなく、力学系に内在する非線形性に起因するとの観点から、系の特徴づけを行う。本研究では、ジャイロ流体モデル(1,2)と呼ばれる運動論的効果を取り入れた流体モデルを用いて、微視的不安定性である電子温度勾配(ETG)モード及びイオン温度勾配(ITG)モードの3次元スラブ配位シミュレーションを行い、異なる温度勾配とそれに伴って変化する帯状流強度の下で、電場の揺動から得られる相関次元及びリヤプノフ指数の特性を示す。

論文

高レイノルズ数MHDチャネル乱流のDNS

佐竹 信一*; 功刀 資彰*; 内藤 宣仁*; 高瀬 和之; 小瀬 裕男*

第18回数値流体力学シンポジウム講演要旨集(CD-ROM), 4 Pages, 2004/12

乱流は原子炉内でよく見られる現象であり、流体中の乱れのエネルギーによって伝熱機構や流動パターンが大きく変化することがわかっている。特に、磁場中においては流路内の速度分布は壁近傍で特有の速度勾配を持つことが指摘されている。そこで、磁場中における大規模乱流構造を直接計算によって調べた。基礎方程式は直交座標の3次元非圧縮性Navier-Stokes方程式と連続の式である。空間方向の離散化は、流れ方向にフーリエスペクトル法、流れと垂直方向に二次精度中心差分を用いた。また、時間方向には、非線形項は三次精度Runge-Kutta法、粘性項はCrank-Nicolson法で離散化した。一連の解析で予測した磁場中における高レイノルズ数乱流速度分布は、実験値とよく一致することがわかった。本提案の解析手法を使って磁場中における乱流構造を直接計算できる高い見通しが得られた。

論文

ガウシアン・フィルタリングされたナビエ・ストークス方程式の数値安定性解析

井田 真人; 谷口 伸行*

日本流体力学会年会2004講演論文集, p.122 - 123, 2004/08

ガウシアン・フィルタリングされたナビエ・ストークス方程式の数値的安定性について理論的に議論する。われわれの最近の研究により、不適切に大きなフィルター幅を用いた場合には、平均場に存在する線形のせん断が時間変動成分を数値的に不安定にすることが明らかになった。これはガウシアン・フィルタリングによって数値不安定項が派生されることからくる問題である。本報告では、サブグリッド・スケール応力項の展開式及び任意階空間微係数の安定性解析に基づき、その数値安定性解析を拡張する。本解析手法による理論的結果は、多くの場合に数値不安定項が現れることを示唆している。

論文

Statistical characteristics from gyro-fluid transport simulation

松本 太郎; 岸本 泰明; Li, J.

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.597 - 600, 2004/00

トロイダルプラズマの輸送機構解明のために、近年統計力学的手法を用いた実験解析によるプラズマ乱流構造の同定が試みられている。国内のCHS及び米国のTEXTOR等の装置における計測データの解析により、プラズマが内在する自由度及び決定論的統計性が加熱手法及びプラズマの自律性(帯状流形成等)による状態変化を反映していることが明らかとなりつつあるが、統計量から乱流構造を同定するに十分な知見は得られていない。本研究では、乱流プラズマの統計量と乱流構造の関係を明らかにすることを目的として、電子温度勾配(ETG)乱流のジャイロ流体シミュレーションを行った。ETG乱流プラズマにおける電場の時系列データに対して、自己相関関数及びフラクタル次元等の解析を行い、温度勾配及び磁気シアーの変化,帯状流形成の有無等の乱流構造の変化に対する影響を系統的に明らかにした。温度勾配が強く磁気シアーが弱いため明瞭な帯状流が形成された場合、自己相関関数が0となる自己相関時間が1桁増加することが明らかにされた。これは系を支配する時定数の増大に対応する。また、帯状流形成及び磁気シアーの増大により相関次元が減少するが、これは内在する自由度の減少と対応している。さらに、乱流状態の確率密度関数において、大振幅領域にガウス型から逸脱が明らかとなった。これは間歇的に生じる大規模な熱流束と関連する可能性がある。

論文

気液界面の不安定性に及ぼす乱流モデルの影響

高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 玉井 秀定; 秋本 肇

第22回日本シミュレーション学会大会発表論文集, p.85 - 88, 2003/06

自由表面を有する流れは、大気と接する海洋,河川,湖沼のような自然界ばかりでなく、化学プラントや原子力機器などの工学の分野にも広く存在する。自由表面は移動境界であると同時にその存在が表面近傍の乱流構造を変化させるため、運動量輸送や熱物質輸送に大きな影響を与える。特に、乱れエネルギーの散逸がその発生率より大きくなる界面近傍の乱流構造は現在も不明な点が多い。原子炉燃料棒表面に見られる液膜流も自由表面流の一つである。著者らはすでに、燃料棒表面に設置されるスペーサリブ等の微小突起が液膜流に及ぼす影響を数値的に調べ、気液界面に発生する大きなせん断力によって流体中に乱れが形成され、これにより界面形状の不安定性が促進されることを明らかにした。本報では、この界面不安定現象を4種類の乱流モデル(標準型k-$$varepsilon$$,改良型k-$$varepsilon$$,レイノルズ応力及びラージエディシミュレーション)を使って予測し、界面挙動に及ぼす乱流モデルの影響を比較した。各モデルによる予測結果で最も大きな違いは、突起後方に形成される循環流の様相と強い乱れによって液膜から生成される液滴挙動の2つであり、特に後者はLESの結果に顕著であった。今後は、実験を行って検証データを取得するとともに界面挙動を高精度で予測できる乱流モデルの開発を行う考えである。

論文

数値トカマク実験(NEXT)研究; 「多階層・複合系プラズマ研究」の展開

岸本 泰明

シミュレーション, 22(2), p.89 - 97, 2003/06

本稿では、原研における数値トカマク実験(NEXT:Numerical EXperiment of Tokamak)の進展と今後の展開を解説したものである。異なった時間・空間スケールの現象が混在した多階層・複合過程としてのプラズマのシミュレーション手法と、それに基づくトカマク研究の位置づけに関する詳細が議論されている。

論文

Stabilization of ion temperature gradient mode by small-scale zonal flows

Li, J.; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 10(3), p.683 - 688, 2003/03

 被引用回数:12 パーセンタイル:57.66(Physics, Fluids & Plasmas)

巨視的スケールの乱流と微視的スケールのシア流間の相互作用は磁場閉じ込めプラズマにおける新しい研究課題となっている。本研究においては、このときの鍵となる相互作用が半巨視的スケールのイオン温度勾配(ITG)モードと電子温度勾配(ETG)モード乱流から生成された微視的スケールの帯状流を例題として取り上げている。微視的スケールの帯状流がITG乱流の径方向の非局所モード間結合をもたらすことを解析的に見出した。

論文

粗面付き狭隘流路内液膜流挙動に影響する乱流の効果

高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*

日本機械学会2003年度年次大会講演論文集, Vol.6, p.205 - 206, 2003/00

軽水炉の燃料集合体内には燃料棒やスペーサが設置され、それらの後流では乱れの促進が考えられる。特に、液膜流時には気相と液相の相対速度に依存して気液界面に発生するせん断力によって液膜中に大きな乱れが形成され、その結果、界面形状が不安定になることが理論的,実験的に明らかになっている。このような界面不安定現象を考慮して、原子炉熱設計に液膜の平均厚さ,熱伝導率等を反映させるためには、液膜内部の流動状態を正確に把握する必要がある。そこで、本研究では、低減速軽水炉で想定される突起付狭隘流路内の液膜流を対象として、改良VOF法と乱流モデルを組合せた二相流解析を行い、突起後流に発生する渦が液膜流に及ぼす影響を数値的に調べた。使用した乱流モデルは、2方程式k-$$varepsilon$$モデル,レイノルズ応力モデル及びラージエディシミュレーションである。各モデルによる予測結果で最も大きな違いは、突起後方に形成される循環流の様相と乱れによって液膜から生成される液滴挙動の2つであった。特に、後者はラージエディシミュレーションの結果に顕著であった。今後は、二相流直接解析への適用を目的として界面挙動を高精度で予測できる二相乱流モデルの開発を行う考えである。また、実験による検証データの取得を併せて実施する考えである。

論文

核破砕中性子源用非結合型減速材容器の熱流動解析,1;流動解析と実験との比較

佐藤 博; 麻生 智一; 粉川 広行; 日野 竜太郎

日本機械学会関東支部茨城講演会(2003)講演論文集(No.030-3), p.47 - 48, 2003/00

大強度陽子加速器計画(J-PARC)ではMW級核破砕中性子源用に液体水素を用いた冷減速材を採用している。冷減速材は中性子場による高い核発熱条件下にあるため効率的な冷却が必要である。そこで、減速材容器内に衝突噴流を用いることで効率的な冷却を行うことを基本設計方針とした。これまでの研究で高Re型k-$$varepsilon$$2方程式モデルによる設計解析が妥当であることが示されてきた。しかしながら、高Re型k-$$varepsilon$$2方程式モデルは壁関数を壁面条件とするため、設計解析の高度化に対応できないことが予想される。そこで、減速材容器内を模擬した可視化実験を解析対象に、線形及び非線形の低Re型k-$$varepsilon$$2方程式モデルを用いて数値解析を行った。その結果、両乱流モデルとも全体的な流れ場の状況は実験をよく再現できることを確認した。また、乱流エネルギー分布は両乱流モデルの結果に大きな違いがみられた。

論文

核破砕ターゲット内の乱流挙動に関する数値的予備検討

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。

論文

Effect of turbulence models on thermal-hydraulics in targets of accelerator driven systems

高瀬 和之

Proceedings of the 1st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2001), p.376 - 381, 2001/10

鉛ビスマス混合物を冷却材とする加速器駆動核変換システム(ADS)のターゲット窓形状の最適化のため数値解析による予備的検討を開始した。ターゲット窓部分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。強い乱れが発生する衝突噴流場では乱流成分の等方性は大きく崩れるため、非等方性乱流モデルが必要であることを筆者は指摘した。本報ではADSターゲット体系下で(1)標準型,(2)乱流消散率改良型及び(3)壁乱流型の3種類の2方程式k-$$varepsilon$$乱流モデルを用いて解析結果に及ぼす乱流モデルの影響を調べた。(1)と(2)は等方性乱流モデル,(3)は非等方性乱流モデルである。(1)と(2)の場合に比べて(3)の場合にはターゲット窓近傍での渦の発生が多く、ホットスポット位置等も異なる結果が得られた。本結果をもとに乱流モデル改良や実験的検証を検討する考えである。

論文

冷減速材容器設計のために衝突噴流実験及び解析

麻生 智一; 寺田 敦彦*; 神永 雅紀; 日野 竜太郎

可視化情報学会誌, 21(Suppl.2), p.119 - 122, 2001/09

原研とKEKが共同で進めている大強度陽子加速器計画において中枢となる中性子散乱実験施設では、中性子源である核破砕ターゲットシステムに設置する冷減速材は中性子性能を左右する極めて重要な機器である。冷減速材の工学設計では、液体水素を用いた減速材システムの重要課題である温度上昇の抑制を実現するために、容器内の温度分布を精度良く予測することが不可欠である。そこで、減速材の扁平構造モデル及び円筒構造モデルを用いて、入口管からの衝突噴流に注目した可視化実験及び熱伝達率測定を実施した。併せて、各種の乱流モデルを用いた解析を行い、円筒構造モデルについては、3次の非線形モデルによる解析が乱流エネルギー分布及び熱伝達率ともにある程度再現することを確認した。

報告書

Analytical study of narrow channel flow for a spallation target system design

Islam, M. S.*; 寺田 敦彦*; 木下 秀孝; 日野 竜太郎; 門出 政則*

JAERI-Tech 2001-044, 49 Pages, 2001/07

JAERI-Tech-2001-044.pdf:2.49MB

十分に発達した乱流域での水の熱伝達と圧力損失特性について高さ1.2mmの狭隘矩形流路内で2次元的に解析を行った。流路形状や流動条件は核破砕ターゲットシステムにおける陽子ビーム窓や固体ターゲット模擬した。解析は高レイノルズ数モデルの標準$$k-varepsilon$$モデルとRNG$$k-varepsilon$$モデルを用い、壁関数を利用してレイノルズ数(Re)が7,000~22,000の範囲で行った。熱伝達特性に関しては標準$$k-varepsilon$$モデルで得られたヌセルト数がDittus-Boelterの式とよく一致した。しかし、摩擦係数に関してはリブのついた管における値を再現しなかった。また、二つの乱流モデルで計算される摩擦係数に大きな違いはなく、ブラジウスの式の値とよく一致した。

論文

Improved particle control for high integrated plasma performance in Japan Atomic Energy Research Institute Tokamk-60 Upgrade

竹永 秀信; JT-60チーム

Physics of Plasmas, 8(5), p.2217 - 2223, 2001/05

 被引用回数:40 パーセンタイル:20.68(Physics, Fluids & Plasmas)

JT-60Uにおける粒子制御に関する研究の中から、連続入射ペレットによる高閉じ込めプラズマの高密度化、不純物輸送、高リサイクリングダイバータでのヘリウム灰排気・不純物低減について報告する。高磁場側入射ペレットを用いて、グリーンワルド密度の70%において、Hファクター~2を達成した(ペレット無しでは、60%が限界)。ペレット入射特性の解析より、E$$times$$Bドリフト効果によるペレット粒子の大半径方向への移動に関する理論モデルと実験結果が一致することを示した。数種の不純物に対して輸送係数を評価し、負磁気シアプラズマの内部輸送障壁部の輸送係数は、新古典理論値に近く、高$$beta$$pプラズマ及びELMy Hモードでの輸送係数は、乱流理論値に近いことを示した。ダイバータを高リサイクリング状態にすることにより、負磁気シアプラズマにおいて効率的なヘリウム灰排気及び不純物の低減を実現した。しかしながら、同時に閉じ込め性能も劣化しており、高リサイクリングと高閉じ込めとの両立が今後の課題である。

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