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論文

Pulsed pressure induced cavitation erosion in mercury narrow channel under flowing conditions

直江 崇; 粉川 広行; 田中 伸厚*; 二川 正敏

Advanced Experimental Mechanics, 4, p.17 - 21, 2019/08

水銀ターゲットにおける圧力波励起キャビテーション損傷を抑制するために、水銀中への気泡注入とビームが入射する先端部の二重壁構造化の二つの損傷低減化技術を導入している。二重壁構造では、4m/s程度の高速流れと2mm程度の狭隘流路によるキャビテーション損傷の低減効果を期待している。キャビテーション損傷に対する二重壁構造の影響を定量的に評価するために、流速と狭隘壁の間隔を系統的に変化させて水銀中でキャビテーション損傷試験を実施した。その結果、表面粗さで評価した損傷は流速の増加によって低減することを明らかにした。一方、水銀流動条件下では流路間隔の影響はほとんど見られなかった。

論文

Evaluation growing and collapsing behaviors of cavitation bubbles under flowing condition

川村 駿介; 直江 崇; 池田 翼*; 田中 伸厚*; 二川 正敏

Advanced Experimental Mechanics, 4, p.33 - 37, 2019/08

J-PARCのパルス核破砕中性子源のステンレス鋼製の水銀ターゲット容器は、圧力波によって誘発されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーション損傷の低減化を期待して水銀の狭隘流路を有する二重壁構造の容器が採用された。狭隘流路によるキャビテーション損傷の低減効果は、実験的には確認されているもののそのメカニズムは明らかにされていない。本研究では狭隘流路におけるキャビテーション損傷低減効果を明らかにするための基礎研究として、流れ場における火花放電によるキャビテーション気泡の挙動を高速度ビデオカメラを用いて可視化した。さらに、キャビテーション気泡崩壊時の衝撃による壁面の振動を流速を変化させて測定した。流れがない場合は、気泡崩壊時のマイクロジェットは壁面に垂直に放出される、一方、流れ場ではその角度は斜めに変化する。その結果、壁面への衝撃力は流動によって低下することが分かった。

論文

A Large-scale numerical simulation of bubbly and liquid film flows in narrow fuel channels

高瀬 和之; 吉田 啓之; 小瀬 裕男*; 秋本 肇

Proceedings of 2005 ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition (CD-ROM), 8 Pages, 2005/11

サブチャンネル解析コードに代表される従来の炉心熱設計手法に、スパコン性能の極限を追求したシミュレーションを主体とする先進的な熱設計手法を組合せることによって、効率的な革新的水冷却炉開発の可能性について研究している。今回は、隣り合う燃料棒の間隔が1.0mmと1.3mmの2種類の稠密炉心を対象にして大規模な二相流シミュレーションを行い、燃料棒まわりに形成される複雑な水と蒸気の3次元分布の詳細予測に成功した。一連の成果を基に、より高性能な稠密炉心の仕様緒元をシミュレーションによって探索できる高い見通しが得られた。

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。

報告書

シビアアクシデントの伝熱流動現象における素過程に関する研究; 狭隘流路での沸騰熱伝達, 原子力基礎研究 H10-027-4 (委託研究)

神永 文人*

JAERI-Tech 2002-012, 68 Pages, 2002/03

JAERI-Tech-2002-012.pdf:2.45MB

シビアアクシデント時の伝熱現象における1つの素過程として、溶融炉心の長期の冷却特性に対して重要な事象である狭隘流路内の低流量条件下での沸騰熱伝達の解明を行った。自然循環条件下での実験と解析の結果、水を使用した結果とエタノールの一部の結果では、沸騰熱伝達に対する管径の影響が明確に現れ、細い管ほどまた圧力が高いほど熱伝達率が増加し、その値はプール沸騰の場合と比べかなり大きくなることが示された。また流動様式が環状流に遷移し、液膜の蒸発熱伝達が支配的であると仮定して解析すると、熱伝達を良く評価できることが示された。強制循環条件下での実験と解析の結果、ウエーバ数が伝熱様式に重要な影響があることが示された。ウエーバ数が0.15より小さい循環条件(質量流束62kg/m$$^{2}$$s以上)では、従来の強制循環での沸騰熱伝達とほぼ類似の特性を持つ。また、今回の実験範囲である低質量流束条件であっても、細管であるため対流熱伝達率は大きくなる。そのため、低熱流束領域では対流の効果が大きくなり、見かけ上、沸騰熱伝達が促進される。この場合、限界熱流束は甲藤のL領域相関で予測できる。一方、ウエーバ数が0.2より大きい循環条件(質量流束53kg/m$$^{2}$$s以下)では、沸騰熱伝達はより促進され、その促進は熱伝達様式が環状流での液膜蒸発熱伝達に遷移するためであることが示された。ただ、限界熱流束は甲藤のL領域相関式よりかなり小さくなる。その原因は、ウエーバ数が大きいため、液膜が伝熱面から剥離しやすくなり、小さな流量変動で、位置的,時間的にドライな状態が伝熱面に形成されやすくなるためである。したがって、低流量での狭隘流路内沸騰熱伝達評価には、実際に流路を流れる流量の考慮が最も重要であることが示唆された。

論文

Heat transfer characteristics in narrow vertical rectangular channels heated from both sides

数土 幸夫; 薄井 徹*; 神永 雅紀

JSME Int. J., Ser. II, 33(4), p.743 - 748, 1990/00

板状燃料を使用する研究炉の熱水力設計および安全評価に用いる熱伝達パッケージ開発のため、流路ギャップが18.6および2.5mmの垂直矩形加熱流路を用いて行ったきた伝熱実験に基づき、矩形流路内を流れる水の主として共存対流場での熱伝達特性に及ぼす流路ギャップの効果を調べた。流路ギャップ18mmのときのデータに基づき導出した熱伝達相関式は、流路ギャップが6および2.5mmの場合のデータに対しても適用できることが明らかとなった。特に、流路ギャップが2.5mmの場合、レイノルズ数が遷移レイノルズ数に近いRe=2000~3000の範囲にあるデータは、前述の式により過大評価される傾向を示すが、これは流れが層流から乱流へ遷移することに起因するものと考えられる。

口頭

Current status of pulsed spallation neutron source at J-PARC

高田 弘

no journal, , 

大強度陽子加速器施設のパルス核破砕中性子源は、3GeV、25Hzで1MWの大強度陽子ビームを水銀ターゲットに入射し、発生した中性子を液体水素モデレータとベリリウム・鉄反射体で減速し、高強度かつ狭いバルス幅の中性子を供給し、多様な物質科学・材料研究等の推進に役立てている。モデレータは100%濃度のパラ水素を使用し、その形状やターゲットに対する配置を最適化した結果、パルス当たりの中性子強度は同種の米国のSNS施設を上回る性能を有している。水銀ターゲット容器では、陽子ビーム入射で水銀中に生成する圧力波によるSUS316L製容器のピッティング損傷がその寿命を決定するため、目標とする1MWの大強度陽子ビームで長期間の運転を達成するためには、この損傷低減が最重要課題である。現在、微小気泡の注入や狭隘流路による速い水銀流れの効果で損傷低減を図っているが、平均406kWで670MWh運転した容器で25$$mu$$m程度の損傷を観測した。今後、2018年には新しく製作したターゲット容器で500kWで運転した後の損傷量を測定する予定であるが、狭隘流路部の改良による更なるピッティング損傷抑制手法の開発を検討している。また、使用済み機器から試験片を切り取り、原子力機構内の施設を活用した照射後試験も計画中である。

口頭

Visualization of cavitation growing and collapsing behaviors in narrow channel

川村 駿介; 直江 崇; 池田 翼; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCのパルス核破砕中性子源のステンレス鋼製の水銀ターゲット容器は、圧力波によって誘発されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーション損傷の低減化を期待して水銀の狭隘流路を有する二重壁構造の容器が採用された。狭隘流路によるキャビテーション損傷の低減効果は、実験的には確認されているもののそのメカニズムは明らかにされていない。本研究では狭隘流路におけるキャビテーション損傷低減効果を明らかにするための基礎研究として、流れ場における火花放電によるキャビテーション気泡の挙動を高速度ビデオカメラを用いて可視化した。さらに、キャビテーション気泡崩壊時の衝撃による壁面の振動を流速を変化させて測定した。流れがない場合は、気泡崩壊時のマイクロジェットは壁面に垂直に放出される、一方、流れ場ではその角度は斜めに変化する。その結果、壁面への衝撃力は流動によって低下することが分かった。

口頭

狭隘流路内のキャビテーション気泡挙動に及ぼす流れの影響

川村 駿介; 直江 崇; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

液体水銀を核破砕標的に用いたJ-PARCのパルス核破砕中性子源では、水銀を内包する標的容器の長寿命化と高出力での長期安定運転の実現を目指す中で、標的容器先端部の内壁に圧力波によって形成されるキャビテーション損傷が、容器の構造健全性を低下させるとして課題となっている。容器先端部に狭隘流路を有する2重壁構造構造を設けることで、狭隘壁と高速流れが形成する圧力勾配によって、キャビテーション損傷の低減効果が報告されているが、損傷低減化に支配的な因子を断定できていない。本研究では、損傷低減化に効果的な狭隘流路設計を行うための基礎的研究として、狭隘流路に水中火花放電法を用いて発生させたキャビテーション気泡の成長・崩壊時の挙動、及び衝撃圧力と流速との相関を評価した。その結果、気泡の最大等価直径と崩壊圧力に起因する振動加速度は、流速の増加に伴い減少すること、気泡最大半径と流路幅の比に依存して崩壊挙動が変化することを明らかにした。

口頭

Effect of wall boundary on growing and collapsing behaviors of cavitation bubble

川村 駿介; 直江 崇; 田中 伸厚*; 二川 正敏

no journal, , 

J-PARCの水銀を標的に用いた核破砕中性子源では、大強度の陽子線が水銀に入射する際に生じる圧力波により、水銀を包含する厚さ3mmの薄肉部を有する容器に激しいキャビテーション壊食損傷が生じる。キャビテーションによる損傷を低減するために、先端部に狭隘部を有する2重壁構造化された容器が開発され、詳細なメカニズムは明らかでないもののその損傷低減効果が確認されている。本研究では、狭隘部において水中火花放電により発生させたキャビテーション気泡の成長・崩壊挙動を高速度ビデオカメラにより観察した。さらに、気泡崩壊の衝撃圧に対する流路の幅と流速の相関について調査した。発表では、狭隘流路幅と壁面振動により評価した気泡崩壊圧の関係について可視化実験の結果に基づいて議論する。

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