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論文

Effects of pressure and heat loss on the unstable motion of cellular-flame fronts caused by intrinsic instability in hydrogen-air lean premixed flames

門脇 敏; Thwe, T. A.; 古山 大誠*; 河田 一正*; 勝身 俊之; 小林 秀昭*

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 16(2), p.20-00491_1 - 20-00491_12, 2021/00

水素-空気予混合火炎の固有不安定により生じるセル状火炎面の不安定運動に及ぼす圧力と熱損失の影響を数値的に調査するために、水素-酸素燃焼の反応機構を採用し、8つの活性種と希釈剤の17の可逆反応をモデル化した。二次元非定常反応流れの基礎方程式が処理され、圧縮率,粘度,熱伝導,分子拡散、および熱損失が考慮された。圧力が高くなると、最大成長率が増加し、不安定な範囲が広がった。これらは主に火炎の厚さの減少によるものだった。圧力が高く、熱損失が大きくなると共に平面火炎の燃焼速度で標準化したセル状火炎の燃焼速度は増加した。これは、圧力と熱損失が細胞炎面の不安定な動きに強く影響したことを示している。また、フラクタル次元が大きくなり、炎の形状が複雑になったことを示している。

論文

The Effects of addition of carbon dioxide and water vapor on the dynamic behavior of spherically expanding hydrogen/air premixed flames

勝身 俊之; 吉田 康人*; 中川 燎*; 矢澤 慎也*; 熊田 正志*; 佐藤 大輔*; Thwe, T. A.; Chaumeix, N.*; 門脇 敏

Journal of Thermal Science and Technology (Internet), 16(2), p.21-00044_1 - 21-00044_13, 2021/00

水素/空気予混合火炎の動的挙動の特性に及ぼす二酸化炭素と水蒸気の添加の影響を実験的に解明した。シュリーレン画像により、火炎面の凹凸が低い当量比で明瞭に観察された。火炎半径が大きくなると共に伝播速度は単調に増加し、火炎面の凹凸の形成に起因する火炎加速が生じた。不活性ガスの添加量を増やすと、特にCO$$_{2}$$添加の場合、伝播速度が低下した。さらに、マークスタインの長さと凹凸係数が減少した。これは、CO$$_{2}$$またはH$$_{2}$$Oの添加が水素火炎の不安定な動きを促進したことを示してあり、拡散熱効果の強化が原因であると考えられる。水素火炎の動的挙動の特性に基づいて、火炎加速を含む伝播速度の数学モデルで使用されるパラメータが得られ、その後、さまざまな条件下での火炎伝播速度が予測された。

論文

Development of a multiphase particle method for melt-jet breakup behavior of molten core in severe accident

Wang, Z.; 岩澤 譲; 杉山 智之

Proceedings of 2020 International Conference on Nuclear Engineering (ICONE 2020) (Internet), 12 Pages, 2020/08

In a hypothetical severe accident in a light water reactor (LWR) nuclear power plant, there is a possibility that molten core released from the reactor vessel gets in contact with water in the containment vessel. In this so-called fuel-coolant interactions (FCIs) process, the melt jet will breakup into fragments, which is one of the important factors for a steam explosion, as a potential threat to the integrity of the containment vessel. In order to investigate the melt-jet breakup with solidification processes, a multiphase particle method is developed in this study. Benefiting from its Lagrangian description and meshless framework, the large deformed interfaces could be directly and easily captured by the particle motions. A simple transient heat conduction test is firstly carried out. Two important multiphase instabilities, namely the Rayleigh-Taylor instability and the Kelvin-Helmholtz instability, are studied since they play important roles during the melt-jet breakup. After that, a bubble rising benchmark is performed to show the feasibility of modelling for deformation and collapse. The results achieved so far indicates that the developed particle method is capable to analyze the melt-jet breakup with solidification processes.

論文

Localized 5$$f^2$$ states in UPd$$_5$$Al$$_2$$ and valence crossover in the Vicinity of Heavy-Fermion superconductivity

目時 直人; 芳賀 芳範; 山本 悦嗣; 松田 雅昌*

Journal of the Physical Society of Japan, 87(11), p.114712_1 - 114712_9, 2018/11

 被引用回数:2 パーセンタイル:29.78(Physics, Multidisciplinary)

ウラン金属間化合物UPd$$_5$$Al$$_2$$は、四価イオンU$$^{4+}$$の局在5$$f^2$$($$^3H_4$$)電子状態を伴うことを中性子散乱による結晶場スペクトルから明らかにした。この電子状態は、最近研究した$$f$$電子数と結晶構造が同じ希土類参照物質PrPd$$_5$$Al$$_2$$と同一であり、c軸方向に大きな磁気モーメントを伴う平べったい形状の軌道が、縦長の体心正方晶の持つ二次元結晶場ポテンシャルによって安定化されていることがわかった。ウランの5$$f$$電子が金属状態において局在的な性格を持つことは非常に珍しい発見であり、やはり、結晶構造の特殊性に起因する。ウランが四価イオンであることは、三価のNpPd$$_5$$Al$$_2$$との間に価数転移が存在することを意味し、この価数転移が結晶格子の異常や電気抵抗の増加によって観察されることを明らかにした。また、価数が不安定な領域で超伝導や磁気転移、重い電子系状態など多体効果の存在を示す数多くの現象が生じていることがわかった。

論文

Multipass beam breakup in energy recovery linacs

Pozdeyev, E.*; Tennant, C.*; Bisognano, J. J.*; 沢村 勝; 羽島 良一; Smith, T. I.*

Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 557(1), p.176 - 188, 2006/02

 被引用回数:12 パーセンタイル:65.95(Instruments & Instrumentation)

多周回,多バンチ加速におけるビーム不安定性(BBU)の研究は大電流のエネルギー回収型リニアック(ERL)の電流を制限する要因として重要である。この不安定性は軸をずれたビームによって励起される高調波モードが周回してきた電子ビームによって増幅されるときに起こる。この現象をシミュレーションする計算コードBBU-Rを開発し、ERLの閾値電流の計算を行った。このコードのほかにも世界各地でBBUをシミュレーションする計算コードが開発されている。これらの問題解決のためのアプローチや計算手法などを比較し、BBU研究の今後の課題等について議論する。

論文

Large-scale direct simulation of two-phase flow structure around a spacer in a tight-lattice nuclear fuel bundle

高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 秋本 肇

Computational Fluid Dynamics 2004, p.649 - 654, 2006/00

日本原子力研究開発機構が研究を進めている革新的水冷却炉は減速材の割合を減らして中性子の減速を抑制することで高い転換比が期待できる原子炉であり、炉心には直径13mm程の燃料棒が1mm程度の燃料棒間ギャップ幅で三角ピッチ状に稠密に配置される。このような狭隘流路内の二相流挙動を高温高圧の原子炉条件下で詳細に計測することは困難であることから、著者らは実験データを必要としないシミュレーションだけによる評価法の開発を行っている。本論文では、革新的水冷却炉の炉心燃料集合体1カラム内二相流を対象にして、超高性能計算機による大規模シミュレーションの結果を示す。本研究によって、燃料集合体内の狭隘流路に設置されるスペーサまわりの気相と液相の挙動や燃料棒外表面を薄膜状に流れる液膜挙動などが定量的に明らかになるとともに、シミュレーションを主体とした炉心熱設計手法の実現に対して高い見通しが得られた。

論文

Nonlinear behaviour of collisionless double tearing mode induced by electron inertia

松本 太郎; 内藤 裕志*; 徳田 伸二; 岸本 泰明*

Nuclear Fusion, 45(11), p.1264 - 1270, 2005/11

 被引用回数:12 パーセンタイル:41.3(Physics, Fluids & Plasmas)

核融合プラズマの中心部のような高温になると電気抵抗が小さくなるとともに、電子慣性等の非衝突効果(運動論的効果)が磁気再結合過程に深くかかわる。本研究では、これらプラズマの粒子性を物理的に忠実に取り扱う観点から、ジャイロ運動論的粒子モデルを用いた3次元シミュレーションにより、反転磁気シア配位トカマクにおける磁気再結合を伴うMHD不安定性に対する運動論的効果の解明を目的とした。反転磁気シア配位において二つの共鳴面の距離が近いと、互いの共鳴面における摂動が結合し、ダブルテアリングモード(DTM)と呼ばれる内部モードが生じる。高温プラズマにおいて電子慣性により誘起される運動論的DTMは、抵抗性モデルにより予期されるものより、速い内部崩壊を引き起こし得ることが明らかとなった。さらに、内部崩壊により掃き出された電流は、DTMが作り出した静電ポテンシャルに導かれて凹型に再集中し得ることが明らかになった。本研究は、低ベータ負磁気シア実験におけるディスラプション機構の一端を示しており、またDTMを経た電流分布の再分配により負磁気シア配位を再構築し得ることを示唆している。

論文

Characterization of interface defects related to negative-bias temperature instability in ultrathin plasma-nitrided SiON/Si$$<$$100$$>$$ systems

藤枝 信次*; 三浦 喜直*; 西藤 哲史*; 寺岡 有殿; 吉越 章隆

Microelectronics Reliability, 45(1), p.57 - 64, 2005/01

 被引用回数:11 パーセンタイル:52.84(Engineering, Electrical & Electronic)

界面準位測定・電子スピン共鳴・シンクロトロン放射光XPSを行って、プラズマ窒化酸化膜の負バイアス温度不安定性(NBTI)が主として界面Siダングリングボンド(P$$_{b}$$センター)からの水素脱離で起こることを明らかにした。NBTIでは非P$$_{b}$$欠陥も生成されるが、窒素ダングリングボンドは含まれない。プラズマ窒化はSiO$$_{2}$$/Si界面のストイキオメトリを劣化・界面準位を増加させるとともに、新たなP$$_{b}$$欠陥を生成する。窒化起因NBTIはこの界面欠陥の量的・質的変化に起因すると考えられる。

論文

Numerical analysis of a water-vapor two-phase film flow in a narrow coolant channel with a three-dimensional rectangular rib

高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 玉井 秀定

JSME International Journal, Series B, 47(2), p.323 - 331, 2004/05

軽水炉の冷却材流路には燃料棒間のギャップ幅を一定に保つためにスペーサ等の突起がしばしば設置される。狭隘流路内のスペーサ周辺の熱流動に関する定量的な研究は、単相流では数多く見られるが、二相流ではほとんど見られない。そこで、狭隘流路に存在するスペーサ等の物体が二相流挙動に及ぼす影響を数値的に調べた。解析体系は3次元流路とスペーサを簡略模擬した矩形突起から成る。解析では、流路入口に液膜厚さとその流速及び蒸気流速を与え、時間方向に進展する液膜流挙動を非加熱等温流条件に対して定量的に検討した。本研究の成果は次のとおりである。(1)気液界面に作用するせん断応力によって界面不安定性が起こり、気相と液相の相対速度とあいまって波立ち発生へと現象が進行することを数値的に確認した。(2)突起後端から発生するはく離線に沿ってウエークが形成され、ここでは強い乱れによって液膜が排除されることがわかった。

論文

Underlying mechanism of numerical instability in Large-Eddy Simulation of turbulent flows

井田 真人; 谷口 伸行*

Physical Review E, 69(4), p.046701_1 - 046701_9, 2004/04

 被引用回数:1 パーセンタイル:6.2(Physics, Fluids & Plasmas)

本論文ではラージ・エディ・シミュレーション(LES)による安定かつ高精度な乱流計算の実現可能性に関するわれわれの最近の理論的研究[Ida and Taniguchi, Phys. Rev. E 68, 036705 (2003)]を拡張する。以前の論文では主流速度成分の瞬時値に関する簡単な仮定に基づき、ガウシアン・フィルターのナビエ・ストークス方程式への適用が数値的に不安定な項を発生させうることを示した。この結果は、はたして数値的に安定なサブグリッド・スケール・モデルで高精度な数値計算を成しえるのかという疑問を投げかけるものであった。本論文では速度成分の統計平均値に関する仮定に基づき、統計平均速度場中のせん断から定係数の逆拡散項が派生し、それにより時間変動成分が不安定になる場合があることを示す。この発見は壁乱流のLESで度々問題となる厄介な数値不安定を説明するものである。ここで得られた結果は、仮に乱流モデリングに何の不具合が無くとも、得られたサブグリッド・スケール・モデルはなおも不安定な性質を持ちうること、つまり、既存の複数のモデルが持つ数値不安定性は人工的な操作によって単純に取り去ってしまってよいものではなく、正確に扱うよう真剣に取り組むべきものであることを示唆している。

論文

Numerical study of zonal flow dynamics and electron transport in electron temperature gradient driven turbulence

Li, J.; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 11(4), p.1493 - 1510, 2004/04

 被引用回数:57 パーセンタイル:87.05(Physics, Fluids & Plasmas)

トカマクプラズマにおける電子温度勾配(ETG)駆動乱流が、断熱イオン応答を仮定した3次元ジャイロ流体モデルに基づいて解析された。論文ではおもに、ETG乱流が生成する帯状流のダイナミックスとそれに伴う電子の熱輸送が議論されている。高い電子のエネルギー閉じ込めが弱磁気シア領域において見いだされ、それらは、弱磁気シアに伴うETG乱流の抑制効果よりも、帯状流形成に伴う乱流の自己形成の結果であることを示している。特に、弱磁気シアはETG乱流における帯状流成分の増大により有利であることが示された。

論文

Saturation of zonal flow in gyrofluid simulations of electron temperature gradient driven turbulence

Li, J.; 岸本 泰明; 井戸村 泰宏; 宮戸 直亮; 松本 太郎

Journal of Plasma and Fusion Research SERIES, Vol.6, p.585 - 588, 2004/00

トカマクプラズマの電子系輸送を支配していると考えられている電子温度勾配(ETG)モード乱流とそれが作る帯状流のダイナミックスに関する理論及びジャイロ流体モデルに基づくシミュレーションに関する報告を行う。特に、ETGモード乱流の駆動する帯状流の飽和機構に関して、Kelvin-Helmholtzモードの励起をシミュレーションによって確認するとともに、変調不安定性に基づく理論モデルの構築を行った。

報告書

Review of JT-60U experimental results in 2001 and 2002

JT-60チーム

JAERI-Review 2003-029, 197 Pages, 2003/11

JAERI-Review-2003-029.pdf:13.06MB

本報告書は、2001年及び2002年にJT-60Uにおいて行った実験の結果をまとめたものである。完全非誘導電流駆動状態での高核融合三重積($$3.1 times 10^{20} m^{-3} keV s$$)の達成,高規格化ベータ値($$sim 2.7$$)の長時間(7.4秒間)維持,高核融合エネルギー増倍率($$geq 0.8$$以上)の時間の伸長(0.55秒間),高密度(グリーンワルド密度の$$95%$$)における閉じ込め改善(ITER98(y,2)スケーリングの0.9倍)の実現,電子サイクロトロン波電流駆動を用いた新古典テアリングモードの実時間制御,中心ソレノイドコイルを用いない革新的運転シナリオの開発等、炉心プラズマの高性能化,高性能炉心プラズマの定常化に対する進展について述べる。また、電流駆動,輸送障壁,MHD不安定性,高エネルギーイオン,ディスラプション,不純物,ダイバータプラズマ,プラズマ壁相互作用等に関する物理課題の研究,計測装置,加熱装置の開発についても報告する。

論文

Experimental study on thermal-hydraulics and neutronics coupling effect on flow instability in a heated channel with THYNC facility

井口 正; 柴本 泰照; 浅香 英明; 中村 秀夫

Proceedings of 10th International Topical Meeting on Nuclear Reactor Thermal Hydraulics (NURETH-10), 16 Pages, 2003/10

BWR炉心では、核動特性と熱水力特性は常に相互に影響し合い、これを核熱結合と呼ぶ。従来は、炉外での核熱結合模擬は困難であった。これは、主として核動特性のリアルタイム模擬と高温・高圧でのボイド率のリアルタイム計測が困難であったことによる。著者らは、核動特性のリアルタイム模擬の手法を提案するとともに、リアルタイム計測が可能なボイド率計測手法を確立し、炉外での核熱結合模擬に成功した。この模擬手法を用いて、核熱結合条件でのチャンネル安定性データをTHYNCにより取得した。実験は、圧力2-7MPa,サブクーリング10-40K,質量流束270-667kg/m$$^{2}$$sの範囲で行った。THYNCデータでは、核熱結合効果により、チャンネル安定限界は低下した。今回のTHYNC実験では実機の場合よりも核熱結合の影響が顕著となる条件設定であったが、非核熱結合条件の場合に比べて安定限界低下率は、圧力7MPaで10%以内であった。

論文

System pressure effect on density-wave instability; Simplified model analysis and experiments

柴本 泰照; 井口 正; 中村 秀夫; 久木田 豊*

Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 11 Pages, 2003/04

沸騰垂直流路の安定限界における系圧力の影響について、解析的及び実験的な検討を行った。モデル作成は、Wallis-Heasleyの熱平衡・一次元均質流モデルに基づいて行った。システムの特性方程式が解析的に解けるように、通常ムダ時間要素で表現される入口流速に対する各種応答を一次遅れ要素によって表した。これは、近似表現ではあるが、特性方程式内で個々の要素を分離して表現できるため、不安定に対する支配因子の特定が容易となる。提案した簡易モデルについて、Ishii-Zuber安定マップ上で実験データと比較した。安定限界を示す実験データは、系圧力に大きく依存する結果となった。本モデルによる予測値は、二相流域の圧力損失に対する系圧力の影響を考慮することで、実験データをよく予想できた。また、システムの固有振動数は、二相流の通過時定数と密接に関係し、これもモデルでよく予測できた。

論文

Experimental study on cooling limit under flow instability in boiling flow channel

井口 正; 柴本 泰照; 浅香 英明; 中村 秀夫

Proceedings of 11th International Conference on Nuclear Engineering (ICONE-11) (CD-ROM), 8 Pages, 2003/04

BWRの水力不安定時には、流量変動に同期して燃料被覆が沸騰遷移とリウェットを周期的に繰り返すことが知られている。著者らは、THYNC試験装置により、実機核燃料と同長、同径の模擬燃料による2$$times$$2管群試験部を用いて、水力不安定実験を行った。その結果、模擬燃料出力を増加すれば、このような周期的沸騰遷移状態が発生し、さらに模擬燃料出力を増加すれば膜沸騰が持続する状態に至り、いずれの場合も模擬燃料温度は逸走しないことを確認した。周期的膜沸騰発生条件は、流量瞬時値が定常沸騰遷移曲線を下回るときで近似できた。持続的膜沸騰は、流量変動の振幅などの振動特性に依存するものの、質量流束変動の中心値が定常沸騰遷移曲線より小さいチャンネル出力で発生した。持続的膜沸騰発生条件は、低圧(2MPa以下),低流量(400kg/m2s以下)の条件では、梅川のモデルとほぼ一致した。高圧(7MPa)では、流量変動1周期間の熱バランスに基礎を置いた実験式とほぼ一致した。TRAC-BF1コードにより、周期的膜沸騰や持続的膜沸騰を予測できた。周期的膜沸騰遷移出力の予測結果はほぼ実験結果と一致したが、リウェット挙動の予測が不適切のため持続的膜沸騰遷移出力はよく予測できなかった。

論文

Parallel implementation of the solver for the one-dimensional Vlasov-Poisson equation based on the DA-CIP method

内海 隆行*; Koga, J. K.; 功刀 資彰*

Parallel Computational Fluid Dynamics; New Frontiers and Multi-Disciplinary Applications, p.539 - 546, 2003/00

高強度・短パルスレーザー照射によるプラズマのメゾスコピックレベルでの非線現象の解明には、ブラソフ-ポアソン方程式の高精度かつ高効率の数値解析手法が必要となる。このため、従来より粒子シミュレーション法,フーリエ-エルミート変換法,フーリエ-フーリエ変換法,有限要素法,スプリッティング法などが提案されてきたが、筆者等は数値流体解析手法として開発されたCIP法を拡張したDA-CIP法を提案してきた。DA-CIP法は、差分操作を含まず、場の量を支配方程式と整合性のある空間微分値を含めた状態量により推定し、時間発展を高精度数値積分法を用いて計算するために、安定で高精度な数値解を得ることができる。本報告では、DA-CIP法が局所的演算に基づく手法であるために、関西研の超並列計算機システムなどによる並列計算に適したアルゴリズムであることを示す。

論文

Coarsening dynamics and surface instability during ion-beam-assisted growth of amorphous diamondlike carbon

Zhu, X. D.; 楢本 洋; Xu, Y.; 鳴海 一雅; 宮下 喜好*

Physical Review B, 66(16), p.165426_1 - 165426_5, 2002/10

 被引用回数:12 パーセンタイル:54.45(Materials Science, Multidisciplinary)

フラーレンの蒸着と同時にイオン照射を行い、炭素同素体変換過程を含んだ蒸着とスパッターリングが競合するなかで誘起されるナノサイズのパターン形成について考察した論文である。通常炭素系非晶質に対するイオン照射では表面が平滑化するの通常の結論であるが、ここでは逆の結果が得られた。これは、フラーレンへのイオン照射による同素体変換によりどのような結合状態の炭素物質が核生成するかに依存することを示した。

論文

Interaction between small-scale zonal flows and large-scale turbulence; A Theory for ion transport intermittency in tokamak plasmas

Li, J.; 岸本 泰明

Physical Review Letters, 89(11), p.115002_1 - 115002_4, 2002/09

 被引用回数:31 パーセンタイル:78.24(Physics, Multidisciplinary)

微視的な帯状流と巨視的乱流間の相互作用に関して議論されている。鍵となる物理機構は半径方向のモード間結合として同定された。揺らぎのエネルギーは不安定な長波長領域から安定もしくは減衰する短波長モード領域に非局所的に輸送される。その結果、乱流スペクトルは大きく変形を受けるとともに非線形のパワー則から変位する。三次元のジャイロ流体イオン温度勾配モードシミュレーションを実施し、間欠的もしくはバースト的なイオン輸送挙動が観測され、トカマクプラズマにおけるITG生成帯状流に関係したスペクトル変形に関係していることが示された。

論文

Zonal flows in gyrofluid simulations of slab electron temperature gradient turbulence

Li, J.; 岸本 泰明

Physics of Plasmas, 9(4), p.1241 - 1254, 2002/04

 被引用回数:35 パーセンタイル:73.62(Physics, Fluids & Plasmas)

帯状流はドリフト波の非線形相互作用によって生成される。三次元ジャイロ流体シミュレーションによると、静電的なスラブ電子温度勾配モードによる乱流システムにおいては、帯状流の発生は遅い過程であり、その振幅は近似的に時間に比例して増大することが明らかとなった。この場合、ETG駆動の帯状流は、背景の電子乱流輸送レベルに比べると弱く、乱流を抑制するには至らないことがわかった。この帯状流のダイナミックスが、定常状態において帯状流を考慮したシミュレーションにより解析された。

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