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論文

自由界面渦による気相巻き込み現象の定量評価

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

混相流, 36(1), p.63 - 69, 2022/03

ナトリウム冷却高速炉(SFR)において、炉容器上部プレナム内の自由界面で、自由表面渦によるカバーガス巻込みが発生し、巻き込まれたガスが炉心を通過することで炉出力の擾乱を生じる可能性がある。そのため、巻き込みガスの流量を正確に予測するための評価モデルの開発が重要となる。既往研究における単一渦のガス巻込み試験では、一般的に、ガス巻込みは上部タンクの自由表面渦によって引き起こされ、吸込み管によって下部タンクにおいてガスが液体から分離される。しかし、これらの研究では、上部タンクと下部タンクとの間の圧力差の影響に着目していない。本研究では、上下部タンク間の圧力差の影響に着目した単一渦のガス巻込み試験を行った。上部タンクと下部タンクとの圧力差は、下部タンクのガス圧力を変更して制御した。その結果、上部タンクと下部タンクの圧力差が増加するにつれ、巻込みガス流量も増加することが分かった。また、吸込み管内の旋回環状流の可視化により、巻込みガス流量が増加すると吸込み管内の圧力降下が大きくなることが分かり、旋回環状流領域における圧力降下に基づいた評価モデルによってガス巻込み流量を予測できることが示唆される。

論文

Gas entrainment phenomenon from free liquid surface in a sodium-cooled fast reactor; Measurements and evaluation on a gas core growth form the liquid surface

内田 真緒*; Alzahrani, H.*; 塩野 幹人*; 堺 公明*; 松下 健太郎; 江連 俊樹; 田中 正暁

Proceedings of 19th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-19) (Internet), 16 Pages, 2022/03

ナトリウム冷却高速炉の設計において、炉心反応度への予期せぬ影響の観点からカバーガスの巻込み現象が重要な課題の一つとなり、既往研究において高速炉プレナム内の自由液面部における自由表面渦のガスコア成長を評価するための、渦モデルに基づく評価手法が開発されている。本研究では、非定常渦のガスコア成長の予測精度を明確にするために、開水路試験体系を持つ回流水槽による水試験を実施した。また、実験と同じ体系による数値解析に基づいた評価手法によりガスコア長さを予測し、試験結果と比較した。その結果、試験では、下降流速が大きくなる下流領域においてガスコア長さが大きくなることが観測された。一方、数値解析結果を用いたガスコア長さの予測では、試験とは異なる位置でピークが現れ、ピーク値も過大評価となった。

論文

Parametric analysis of bubble and dissolved gas behavior in primary coolant system of sodium-cooled fast reactors

松下 健太郎; 伊藤 啓*; 江連 俊樹; 田中 正暁

Proceedings of 27th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-27) (Internet), 9 Pages, 2019/05

ナトリウム冷却高速炉(SFR)では、炉心反応度擾乱等を防止する観点から一次冷却系統内に存在する非凝縮性ガスの量を制御することが重要であり、そのための数値計算コードSYRENAを開発している。本研究では、仮想的なタンク型炉を対象にフローネットワークモデルを構築して気泡・溶存ガス挙動の解析を行い、ループ型炉の解析結果との比較を行った。また、タンク型炉にディッププレート(D/P)を導入した場合を仮定し、D/Pを通るナトリウム交換流量および自由液面での気泡巻込み量をパラメーターとした解析を行ってタンク型炉の気泡挙動に対するD/Pの影響を調査した。その結果、D/Pを通過する交換流量の増加が必ずしも一次冷却系統内の気泡量の減少に働くとは限らないことが示された。

論文

Visualization study on droplet-entrainment in a high-speed gas jet into a liquid pool

杉本 太郎*; 齋藤 慎平*; 金子 暁子*; 阿部 豊*; 内堀 昭寛; 大島 宏之

Proceedings of 26th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-26) (Internet), 7 Pages, 2018/07

Na冷却高速炉の蒸気発生器内伝熱管破損時Na-水反応現象に対する数値解析コードの妥当性評価に資するため、水中に高圧空気が噴出した際に噴流の気液界面から液滴がエントレインされる様子を可視化し、その挙動について調べた。本実験により、気液界面から比較的大きい径の液滴が生成した後、小径の液滴へ微粒化するなどの挙動を明らかとした。

論文

Physics-basis simulation of bubble pinch-off

伊藤 啓; 小泉 安郎; 大島 宏之; 河村 拓己*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 3(3), p.15-00671_1 - 15-00671_9, 2016/06

The authors are developing a high-precision CFD code with an interface tracking method to simulate the gas entrainment (GE) phenomena in sodium-cooled fast reactors (SFRs), which might be caused by a highly-intensified free surface vortex. To simulate the complicated GE phenomenon, the authors' CFD code has physics-basis algorithms which model accurately the interfacial dynamic behavior, the pressure jump condition at an interface and the surface tension. Several verification problems, e.g. the slotted-disk problem, have been already solved and the accuracy of each individual algorithm is confirmed. In this paper, a basic experiment of the GE is simulated to validate the developed CFD code. In the experiment, the entrained gas flow rate is measured by image processing with a high-speed video camera. The simulation result of the entrained flow rate shows comparable value to the experimental data, that is, our CFD code is considered applicable to the evaluation of the GE in SFRs.

論文

Development of a mechanistic evaluation method for wastage environment under sodium-water reaction accident

内堀 昭寛; 大島 宏之

Proceedings of 16th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-16) (USB Flash Drive), p.533 - 544, 2015/08

Na冷却高速炉の蒸気発生器において伝熱管破損時に形成される隣接伝熱管周りのウェステージ環境を評価するため、Na側で生じる圧縮性多成分多相流及びNa-水化学反応を対象とした機構論的数値解析コードSERAPHIMを開発している。本研究では、ウェステージ環境評価に必要な液滴挙動解析モデルを導入したSERAPHIMコードの妥当性を確認するため、基礎的実験及び実機条件模擬実験それぞれの解析を実施した。基礎的実験の解析では、液滴発生時の圧力変動等を良好に再現し、液滴挙動解析モデルの基本的な妥当性を確認した。実機条件模擬実験の解析では、化学反応によって形成された温度分布が実験結果と一致すること、隣接伝熱管に液滴が比較的高い速度で衝突する位置が実験におけるウェステージ発生位置と一致することを確認し、SERAPHIMコードは実機条件下において温度分布や液滴挙動などウェステージに影響する環境を予測可能であるとの結論を得た。

論文

Physics-basis simulation of bubble pinch-off

伊藤 啓; 小泉 安郎*; 大島 宏之; 河村 拓己*

Proceedings of 23rd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-23) (DVD-ROM), 6 Pages, 2015/05

近年、過酷事故時の燃料溶融などの複雑現象を評価するため、高精度数値解析モデルの開発が進められている。著者らも、高速炉におけるガス巻込み現象評価のために、高精度界面追跡法に基づく数値解析コードの開発を進めている。評価対象のガス巻込み現象は渦流れによって誘起され、渦中心線に沿った自由界面の窪みとその先端から発生する気泡離脱によって特徴付けられる。この現象を解析するため、気液界面の動的変形挙動や界面における圧力条件や表面張力に関して物理的考察に基づく解析モデル開発を行っており、基本検証問題によって解析精度を確認している。本研究では、ガス巻込み基礎実験における気泡巻込み現象を対象とした解析を行うことで、解析コードの検証を実施する。解析の結果、実験結果と同様の気泡巻込み流量が得られており、解析による高速炉ガス巻込み現象評価の妥当性が示されている。

論文

Evaluation of gas entrainment flow rate using numerical simulation with interface-tracking method

伊藤 啓; 大野 修司; 小泉 安郎*; 河村 拓己*

Proceedings of 10th International Topical Meeting on Nuclear Thermal Hydraulics, Operation and Safety (NUTHOS-10) (USB Flash Drive), 10 Pages, 2014/12

The gas entrainment (GE) due to free surface vortex is one of important issues in the safety study on sodium-cooled fast reactors. In this paper, the authors perform numerical simulations of a simple GE experiment. To simulate interfacial deformations accurately, a high-precision interface-tracking method is employed. Two kinds of fluids, i.e. water and silicone oil, are considered as the working fluid in the simulations and the flow rate is changed over a wide range as the simulation parameter for both fluids. As a result of the numerical simulations, the evaluated values of the entrained gas flow rates shows good agreements with the experimental data. In addition, both the simulation results and experimental data provide the entrained gas flow rate in proportional to the average velocity at the cylindrical tank outlet.

論文

渦中心軸方向流速の分布を有する渦モデルの開発と検証

伊藤 啓; 江連 俊樹; 大島 宏之

日本機械学会論文集(インターネット), 80(818), p.FE0299_1 - FE0299_9, 2014/10

高速炉において、ガス巻込みや液中渦キャビテーションを生じる可能性のある渦流れの評価が重要である。本研究では、渦中心軸方向流速の分布を有する新しい渦モデルを提案する。検証計算として新たな渦モデルを用いて基礎実験の評価を行った結果、実験結果とよく一致する流速分布と気液界面形状が得られた。また、Burgers渦モデルを用いた評価に関しては、一様な軸方向流速の仮定を用いる場合は正しい評価結果が得られないが、渦中心近傍の実効的な軸方向流速を用いることで精度の良い評価結果が得られることを確認した。

論文

Effect of physical properties on gas entrainment rate from free surface by vortex, 2

小泉 安郎*; 大手 直介*; 上出 英樹; 大野 修司; 伊藤 啓

Proceedings of 22nd International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-22) (DVD-ROM), 7 Pages, 2014/07

A sodium-cooled fast breeder reactor is now at the developing stage in Japan. One concern for safety is cover gas entrainment into the sodium coolant. The gas entrainment rate into liquid by the vortex formed on the free surface was examined experimentally. Four kinds of test fluid were used; water at 25$$^{circ}$$C, water at 60 $$^{circ}$$C, 20 cSt silicone oil and kerosene. The gas entrainment rate into liquid was measured. The relation between gas entrainment rate and liquid velocity was mainly affected by the viscosity of liquid. As viscosity became large, higher exit velocity was required to get the same gas entrainment rate. No systematic trend by the surface tension was noticed in the gas entrainment rate. A flow state at the outlet piping has significant effect on the gas entrainment rate. The dimension of the outlet piping may become important to consider the gas entrainment rate in the vortex type region.

論文

Axial variation of interfacial friction in a developing stratified-wavy two-phase flow

伊藤 和宏*; 久木田 豊*; 辻 義之*

Eighth Int. Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal-Hydraulics (NURETH-8), 1, p.40 - 47, 1997/00

幅0.1m、高さ0.19m、長さ12mの矩形ダクトを用いて水-空気二相流実験を行い、水平波状流における流れ方向の気液界面摩擦および界面波の性質の変化を評価した。実験条件は水の見かけ流速をj$$_{l}$$=0.3m/sで一定に保ち、気相見かけ流速をj$$_{g}$$=4.2~6.8m/sまで変化させた。気液界面せん断応力は水位、気相圧力、気相壁面せん断応力の測定値を気相の運動量方程式に代入することにより評価した。気液界面摩擦係数は界面波の存在により、試験部入口付近においても滑面よりも大きな値を示した。試験部入口では、気液相対速度がスラグ流遷移領域に近づくため、気液界面が不安定になり界面波が急速に形成される。また、j$$_{g}$$が大きい場合には、エントレイメントにより界面波の流れ方向の成長は抑制される。これらの要因は、気液界面摩擦係数の流れ方向の変化に影響を及ぼすことがわかった。

報告書

加圧水型原子炉における小破断冷却材喪失事故時の破断口及び炉心でのエントレインメントに関する研究

与能本 泰介

JAERI-Research 96-024, 154 Pages, 1996/05

JAERI-Research-96-024.pdf:5.87MB

本研究は、加圧水型原子炉(PWR)における小破断冷却材喪失事故(LOCA)時の破断口と炉心におけるエントレインメントについて、物理的な理解を深めることと、予測手法を開発することを目的としている。破断口におけるエントレインメントに関しては、物理モデルを構築し、実験データベースを用いて評価し、さらに、このモデルを組み込み改良した解析コードがLOCA総合実験の結果を精度良く予測できることを示した。炉心におけるエントレインメントに関しては、高圧条件で再冠水実験を行い、その発生条件を明らかにした。これにより、PWRの典型的な高圧再冠水条件では、エントレインメントが発生しないため、ドライアウト炉心の冷却挙動は、極めて簡単であることを明らかにした。

報告書

サブチャンネル解析コードのベンチマーク計算

炉心熱水力解析手法高精度化専門部会

JAERI-Data/Code 96-004, 109 Pages, 1996/02

JAERI-Data-Code-96-004.pdf:2.3MB

軽水炉の炉心熱水力設計で用いられるサブチャンネルコードの解析能力を評価するため、ベンチマーク計算を実施した。選定したベンチマーク問題は、(1)2チャンネル間流体混合(単相流)、(2)2チャンネル間流体混合(二相流)、(3)多チャンネル間流体混合、(4)限界熱流束、及び(5)液滴の発生・付着である。計算の結果、流体混合問題に関しては、乱流混合係数の影響が大きいこと、ロッドギャップ幅の影響をうまく表現できないこと、及び二相流の混合については流量条件により予測精度に差が見られることなどが明らかになった。限界熱流束問題については、使用したコード及びCHF相関式によって予測精度に差があるが比較的実験との一致はよかった。液滴の発生・付着問題については、相関式の改良により予測精度が大幅に改善できたが、コード相互の差が顕著であった。

論文

Flow regime transition to wavy dispersed flow for high-pressure steam/water two-phase flow in horizontal pipe

中村 秀夫; 久木田 豊; 田坂 完二*

Journal of Nuclear Science and Technology, 32(7), p.641 - 652, 1995/07

 被引用回数:5 パーセンタイル:50.44(Nuclear Science & Technology)

ROSA-V/TPTF装置の水平管テスト部を用いた蒸気/水二相流実験(圧力≦12MPa)を行い、スラグ流から波状噴霧流への遷移は界面波頭からの液滴発生により生じ、液滴発生時の気液相対速度は圧力上昇と共に大きく減少することを見い出した。また、LOCA計算コード等に使用されているモデルや相関式の検討から、Steen-Wallis式を気液相対速度をパラメータとして改良すると、TPTF実験での液滴発生開始の圧力依存性が良く予測できることがわかった。更に、比較的低圧(約3MPa)では界面波高が高い為、より小さい気液相対速度で遷移が生じることが分かった。

論文

An evaluation of Bernoulli effect on slugging in horizontal two-phase flow

中村 秀夫; 久木田 豊; 田坂 完二*

Journal of Nuclear Science and Technology, 31(2), p.113 - 121, 1994/02

 被引用回数:1 パーセンタイル:18.03(Nuclear Science & Technology)

水平の閉流路内気液二相流では、波状流からスラグ流への遷移がKelvin-Helmholtzの不安定性を主要因として生じると考えられているが、実際はKelvin-Helmholtz理論が示す気相流速の半分程度で遷移が生じる。これまで提案されてきた多くの遷移機構予測モデルは、この違いが、波頭上部での気相流路面積の減少に伴う圧力降下が波の成長を促進する結果生じると仮定した。これをBernoulli効果と呼ぶが、これまでこの圧力降下を動的に計測した例は大変少ない。今回、PWRの水平配管と同等の流路高(0.7m)を持つ水平の矩形ダクト装置を用いてスラグ流遷移時の気相部圧力等を計測し、Bernoulli効果の評価を行った。その結果、スラグ流遷移過程の波の波頭部近傍で、水頭に匹敵する気相部圧力降下が確認された。その際、気相部運動エネルギー損失による波頭前後での不可逆な圧力損失や、高速の空気流による波頭での液滴の発生等が観察された。

論文

Experimental study of aerosol reentrainment from flashing pool in ALPHA program

工藤 保; 山野 憲洋; 森山 清史; 丸山 結; 杉本 純

3rd Int. Conf. on Containment Design and Operation,Conf. Proc., Vol. 1, 0, 10 Pages, 1994/00

ALPHA計画では、格納容器が加圧破損した場合に水プールの減圧沸騰により再浮遊するエアロゾルの挙動を把握し、定量化するためにエアロゾル再浮遊実験を実施している。最初の実験ARE001では模擬格納容器内に硫酸ナトリウム50kgを水750kgに溶かした水プールを設置し、圧力1.5MPaから大気圧までの減圧に45分要した。ARE002では、硫酸ナトリウム25kgを375kgの水に溶かし、1.3MPaから40分で大気圧まで減圧された。格納容器内熱水力挙動を測定するとともに水プールから再浮遊した液滴の空間分布、粒径分布を評価した。減圧の間に水プールは約20%減少したが、フラッシングによって飛散した硫酸ナトリウムは0.03%以下であった。Kataoka-Ishiiのモデルを用いて予測した飛散量は実験値のおよそ1/10であった。

報告書

Improvement of COBRA-TF code models for liquid entrainments in film-mist flow

Ezzidi, A.*; 大久保 努; 村尾 良夫

JAERI-M 93-133, 39 Pages, 1993/07

JAERI-M-93-133.pdf:0.99MB

0.5MPaより低圧力下での液滴の発生・沈着現象に対するCOBRA-TFコード予測能力を改良するため、前報での検討結果に基づいて、コードで使用されている液滴の発生および沈着に対する相関式を変更した。菅原の相関式を導入して得られた計算結果は、参照した実験データに対して以前の結果よりはるかに良好な一致を示すようになったものの、まだ20%程度の範囲で相違があった。実験データとのより良い一致を得るため、液滴の発生に対する新たな相関式を導出した。この新相関式は、菅原の相関式に更にもう一つの因子を付加したものであり、この因子は、液膜の流動並びに蒸気と液膜の相対的な流動に対する2つのレイノルズ数の関数になっている。この新相関式を用いて得られた計算結果は、広い範囲の流動条件下で実験データと良好な一致を示し、液滴の発生・沈着現象に対するCOBRA-TFコードの予測能力が大きく改善された。

報告書

Assessment of models in COBRA-TF code for liquid entrainments in film-mist flow

大久保 努; Ezzidi, A.*; 村尾 良夫

JAERI-M 93-069, 115 Pages, 1993/03

JAERI-M-93-069.pdf:2.16MB

COBRA-TFコードを液膜ドライアウト現象の解析に利用いるに先だって、本コードの液膜噴霧流におけるエントレインメント発生および沈着のモデルに対する検証計算を実施した。対象とした実験は、単管のテスト部を用いた基礎的な実験である。計算値は、3.4および6.9MPaの高圧条件下での実験データとは良い一致を示したものの、0.24~0.45MPaの低圧条件下での実験データとは大きな相違を示した。本報告書では、計算結果とともにCOBRA-TFコードで使用されているエントレインメント発生および沈着モデルについての詳細な検討を示す。本検討によれば、COBRA-TFではWuertzによって提案された相関式が使用されているが、これは主として3~9MPaという高圧領域で実施された彼の実験のデータに基づいて開発されたもので、低圧力領域では高圧力の場合とは大きく異なってくる密度の効果を考慮していないことが上記の相違を生ずる主たる理由と考えられる。

報告書

高温高圧ガスループ中のヨウ素沈着分布

松本 実喜夫; 遠藤 泰一; 伊藤 治彦; 板橋 行夫; 猿田 徹; 横内 猪一郎; 安藤 弘栄

JAERI-M 92-212, 62 Pages, 1993/01

JAERI-M-92-212.pdf:2.09MB

高温ガス冷却炉(HTGRs)の設計及び安全解析において、燃料から放出する核分裂生成物(FP)の1次冷却系への沈着・離脱挙動を把握することは重要である。JMTRでは、高温工学試験研究炉(HTTR)用燃料照射研究に用いている高温ガス冷却ループ照射装置(OGL-1)の1次冷却系に沈着するFP分布測定を原子炉運転中及び停止後にわたって行ってきた。その結果、ヨウ素の沈着が温度上昇に対して指数関数的に減少すること、表面が冷却されている2基の再生熱交換器に系内全ヨウ素の60%が沈着することを明らかにした。また、燃料照射温度が1500$$^{circ}$$Cの場合、ヨウ素放出率は1300$$^{circ}$$Cの約100倍になることを確認した。更に、本報では、原子炉運転中と停止後によるFP沈着・離脱に係る系内ヨウ素分布の変化について報告する。

論文

垂直管におけるエアロゾル粒子の跳ね返りについて

松井 浩; 野口 宏

エアロゾル研究, 8(1), p.58 - 65, 1993/00

エアロゾル粒子は、管内において沈着するとともにレイノルズ数あるいは粒子径がある程度以上の値になると跳ね返り現象の生じることが認められている。しかし、この現象を定量的に解析した報告はほとんど見当らない。本報では、粒子の跳ね返り現象を含んでいる文献中の実験データを基に、跳ね返り開始点を求め、それに対する跳ね返り関数の経験式を誘導し、式に含まれる定数を決定した。また、異る独立変数に対する定数間の関係についても検討した。

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