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堀口 直樹; 吉田 啓之; 金子 暁子*; 阿部 豊*
Physics of Fluids, 37(3), p.033333_1 - 033333_20, 2025/03
被引用回数：0 パーセンタイル：0.00(Mechanics)シビアアクシデントにおいて溶融燃料は浅い冷却材プール中で壁面衝突噴流として振る舞って微粒化し、デブリとして堆積することが想定されるため、壁面衝突噴流の微粒化機構の解明が重要である。本研究は、浅水プール中の壁面衝突噴流の渦状流れにおける微粒化機構の解明を目的とし、微粒化の素過程として液滴形成に着目した。液液系において屈折率を一致させた3D-LIF法を用いた実験によって得られた三次元界面形状データに対して定量化手法を適用することで機構を定量的に調査した。液滴と渦状流れの拡がり挙動の詳細な観察およびこれら挙動の定量評価によって、渦状流れが液滴の支配的な発生源であることを見出した。次に渦状流れに働く力を分析し、この渦状流れの形成・崩壊プロセスを見出した。この渦状流れに働く法線力の加速度は遠心力の見かけの加速度および重力加速度で代表できる。次に微粒化の素過程である液滴形成に着目して分析し、渦状流れにおいて二つの液滴形成パターンを見出した。一つ目は液膜自体から液滴が形成する液膜破断パターンであり、二つ目は液膜上の界面波から液滴が形成するサーフィンパターンである。無次元数を用いて液滴データを整理し、異なる液滴形成機構を表した理論線と比較した。この比較により、渦状流れにおける液滴形成機構を明らかにした。
堀口 直樹; 吉田 啓之; 金子 暁子*; 阿部 豊*
Proceedings of 12th Japan-Korea Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS12) (Internet), 6 Pages, 2022/10
シビアアクシデント時の軽水炉の安全性評価において、プール中を落下しブレイクアップする溶融燃料ジェットから発生する微粒化物の物理量の推定が重要である。このため、燃料と冷却材間の相互作用(FCI)に含まれる流体力学的相互作用を伴う液体ジェットとしての挙動の評価手法が開発されている。炉外で想定される浅いプールの場合、溶融燃料は液状の壁面衝突噴流として振る舞い、微粒化物を伴うあるいは伴わない液膜流として拡がることが想定される。我々の研究では、流体力学的相互作用と過渡的かつ三次元的に床面を拡がる点に着目し、詳細二相流解析コードTPFITを用いた数値シミュレーションによる評価手法と、この妥当性確認のために液液系において3D-LIF法を用いた実験手法を開発している。過去の研究で、微粒化を伴う壁面衝突噴流が特徴的な構造を過渡的に有することを観察しており、その各部に依存した微粒化物の物理量の変化、ひいては安全評価への影響が考えられることから、各部におけるこの物理量の計測が重要と考える。本報は、数値シミュレーションの妥当性確認に資するべく実施した、浅水プール中の壁面衝突噴流における微粒化物の物理量の計測について説明する。3D-LIF法による実験を行い、分散相追跡法によって液膜流上の微粒化位置に基づいて実験データを各部に区分した。この区分したデータから微粒化物の径および総量を計測し、これらの変化傾向を検討した結果について述べる。
木村 郁仁*; 山村 聡太*; 藤原 広太*; 吉田 啓之; 齋藤 慎平*; 金子 暁子*; 阿部 豊*
Nuclear Engineering and Design, 389, p.111660_1 - 111660_11, 2022/04
被引用回数：4 パーセンタイル：41.78(Nuclear Science & Technology)A new three-dimensional laser-induced fluorescent (3D-LIF) technology to obtain the hydrodynamic behavior of liquid jets in a shallow pool were developed. In this technology, firstly, a refractive index matching was applied to acquire a clear cross-sectional image. Secondly, a series of cross-sectional images was obtained by using a high-speed galvanometer scanner. Finally, to evaluate the unsteady 3D interface shape of liquid jet, a method was developed to reconstruct 3D shapes from the series of cross-sectional images obtained using the 3D-LIF method. The spatial and temporal resolutions of measurement were 4.7 
4.7 1.0 lines/mm and 25 
s, respectively. The shape of a 3D liquid jet in a liquid pool and its impingement, spreading and atomization behavior were reconstructed using the proposed method, successfully. The behaviors of atomized particles detached from the jet were obtained by applying data processing techniques. Diameters distribution and position of atomized droplets after detachment were estimated from the results.
堀口 直樹; 山村 聡太*; 吉田 啓之; 阿部 豊*
no journal, ,
多相熱流動を解明するため時系列かつ2次元または3次元における界面形状データを取得可能な詳細計測手法が開発されている。例えば、燃料冷却材相互作用における溶融燃料ジェットの微粒化物といった分散相の詳細計測が実施され、3次元空間におけるその粒径等の時系列データの取得が達せられているが、個々の分散相を追跡する手法がないことから、3次元速度データの取得には至っていない。本報では、時系列3次元データを用いた分散相追跡手法の検討結果を報告する。本手法の適用性の確認には、TPFITを用いた詳細二相流動シミュレーションにより取得した3次元空間における分散相の体積率分布と速度分布データを用いた。結果として、分散相について時刻間の体積率分布の相関を取ることで速度を評価できることを確認した。
柾木 直人*; 堀口 直樹; 金子 暁子*; 吉田 啓之
no journal, ,
軽水炉のシビアアクシデント時には、溶融した燃料がジェット状となって水中に侵入し、微粒化して床面に堆積する可能性がある。微粒化は堆積状況の推定に重要であり、この微粒化過程におけるジェットの界面形状と界面せん断応力の相互関係の解明が課題である。これに対し、3D-LIF法とPIVを組み合わせることで、界面形状と界面せん断応力の同時計測手法を開発してきた。しかし、三次元界面形状を持つ円柱ジェットに対して本手法を適用したが、ジェット中心にPIVの断面を正確に配置することがさらなる課題となった。本報告では、これら課題を解決するために、3D-LIF法と多断面でのPIVを用いた同時計測によって、三次元界面形状と多断面の界面せん断応力を取得した結果について述べる。
堀口 直樹; 柾木 直人*; 金子 暁子*; 吉田 啓之
no journal, ,
二相流数値シミュレーションの発展に伴い、この妥当性確認のための二相流の界面位置の測定やその不確かさ評価の重要性が増している。蛍光染料を添加して流体の2次元断面を撮影するLIF法に対し、撮影断面の垂直方向への走査機能を追加した3D-LIF (3 Dimensional Laser Induced Fluorescence)法は、界面の3次元測定が可能であるため妥当性確認に有用である。しかし二相流の界面位置は静止していないために測定の不確かさ評価はこれまで困難であった。そこで本研究では、液液二相流を模擬して静止した界面を持つ透明樹脂構造物を製作することで、3D-LIF法による測定の不確かさ評価を行うことを目的とする。本発表では、透明樹脂構造物の開発を目的として、部分的に蛍光染料を添加した透明レジン液を固化させて模擬構造物を製作し、この界面位置を3D-LIF法で測定した結果を述べる。
山内 悠生*; 柾木 直人*; 金子 暁子*; 堀口 直樹; 吉田 啓之
no journal, ,
革新炉開発のための詳細な気液二相流シミュレーションにおける妥当性確認のため、瞬時・局所的な二相流データ取得を可能とする計測技術の開発とデータベース構築を行っている。本報では、3D-LIF法を使用した液液二相流におけるスラグ流の界面抽出を実施するとともに、これついて精度を検証した結果を報告する。実験装置は燃料棒間を想定した一辺が5mmの矩形流路であり、それぞれの屈折率を合わせたシリコーンオイルとグリセリン水溶液を作動流体とし、グリセリン水溶液を分散相とした。両液相の見かけ速度をパラメータとして実験を実施した結果、スラグ流、チャーン流、環状流、成層流の発生を確認し、流動形態マップを作成した。既知の体積に対して三次元形状の再構築を行い、界面抽出の計測精度を検証した。
堀口 直樹; 山村 聡太*; 藤原 広太*; 金子 暁子*; 吉田 啓之
no journal, ,
軽水炉における炉心溶融事故発生時、溶融した燃料は下部プレナムの冷却材プールに落下すると想定されている。溶融燃料ジェットは冷却材との相互作用により、微粒化、冷却そして固化すると考えられており、安全性の観点から、溶融燃料の冷却性能の評価が求められている。しかしながら、その実現には冷却材中の液体ジェット挙動,熱伝達,相変化それぞれに対する理解が必要である。本研究では、冷却材プールが漏洩や蒸発により浅水となった場合の液体ジェット挙動の解明を目的とする。本報では液体ジェットから発生した微粒化物の速度を計測可能とすべく、著者が開発した分散相速度計測手法を適用した結果について述べる。速度計測は、3D-LIF法を用いた液体ジェットの3次元可視化計測によって取得された時系列3次元界面形状データを用いて実施した。得られた微粒化物の速度は液体ジェットの侵入速度と比べ遅い結果となり、周囲流体を媒介して液体ジェットにより主に駆動されると考えられることから、この結果は妥当であり、微粒化物の速度計測が可能となった。
柾木 直人*; 金子 暁子*; 堀口 直樹; 吉田 啓之
no journal, ,
軽水炉のシビアアクシデント時、溶融燃料は冷却材プールへジェット状に侵入して微粒化する。溶融燃料の冷却は溶融燃料と冷却材の界面で行われ、微粒化による界面積増加によって促進される。溶融燃料の安定冷却の実現のためには、微粒化における界面の波の変形や、先行研究で主要因と示唆される界面せん断応力の働きを理解することが重要である。しかし熱や物性による技術的制限から、溶融燃料を用いた実験では界面形状の可視化やせん断応力の計測が困難である。そこで本研究では、模擬実験において3D-LIF法により界面形状を、多断面PIVにより速度場を同時に取得することで、これらから界面せん断応力を計算することを可能とした。本発表では、取得したデータから界面波の変形に対するせん断応力の影響を調査した結果について述べる。
堀口 直樹; 吉田 啓之; 金子 暁子*; 阿部 豊*
no journal, ,
本原子力研究開発機構において実施している浅水プール中に落下する液体ジェットの侵入挙動の評価手法開発の一環として、微粒化物の発生メカニズム解明を目的に、3D-LIF法を用いて取得した液体ジェットの3次元界面形状データを処理して主要な微粒化位置を特定し、液膜構造との関係を検討した。
山内 悠生*; 柾木 直人*; 金子 暁子*; 堀口 直樹; 吉田 啓之
no journal, ,
原子炉炉心設計への詳細な気液二相流シミュレーションの適用を目的として、シミュレーションの妥当性確認のための、瞬時・局所的な二相流データ取得を可能とする計測技術の開発とデータベース構築を行っている。本報では、3D-LIF法を液液二相流に適用し、3次元界面抽出を行った結果を報告する。実験装置は燃料棒間を想定した一辺が5mmの矩形流路である。3D-LIF法を適用するため、屈折率を合わせたシリコーンオイルとグリセリン水溶液を作動流体とし、それぞれ連続相および分散相として用いた。両液相の見かけ速度をパラメータとして実験を実施した結果、スラグ流、チャーン流、環状流、成層流が形成されることを確認し、流動様式マップを作成した。また、これらの流動様式に対して、3次元界面抽出が可能であることを確認した。
