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報告書

Flow separation at inlet causing transition and intermittency in circular pipe flow

小川 益郎*

JAEA-Technology 2019-010, 22 Pages, 2019/07

JAEA-Technology-2019-010.pdf:1.5MB

円管内流れは、流れが実際に遷移し、遷移流が間欠性を示すにもかかわらず、あらゆる小さな外乱に対して線形的に安定である。このことは、流体力学ではまだ解決されていない大きな課題の一つである。そこで、著者は、これまで誰も気がつかず認識してこなかった事実を初めて指摘する。この事実というのは、「円管内の流れは、流れの剥離によって、円管入り口付近に形成される剥離泡から放出された渦のために層流から遷移し、そして渦放出が間欠的であるために遷移流が間欠性を示す。」というものである。この事実は、円管の入口形状が遷移レイノルズ数に大きく影響することや、第3の遷移現象に分類されている外側円筒が支配的に回転する同心二重円筒間の流れが円管内の遷移流れと同様に流れの剥離によって間欠性を示すといった、多くの実験結果によって裏付けられている。本研究によって、高温ガス冷却炉の熱流体設計において最も重要な課題の一つである熱伝達促進のために、急縮小型の入口形状が遷移開始レイノルズ数をできる限り小さくできることを明らかにした。

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

Study on surface tension modeling for mechanistic evaluation of vortex cavitation

伊藤 啓; 江連 俊樹; 大島 宏之; 河村 拓己*; 中峯 由彰*

Proceedings of 9th Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety (NTHAS-9) (CD-ROM), 6 Pages, 2014/11

ナトリウム冷却高速炉における液中渦キャビテーション研究の一環として、半径方向圧力分布と蒸気圧、気液界面における圧力ジャンプ条件に基づいてキャビティ半径を計算する表面張力モデルの開発を行い、液中渦キャビテーション評価手法を改良した。基本検証として基礎実験を対象とした評価を行い、流速の増加によって渦中心圧力が低下してキャビティ半径が大きくなるという現象が定性的に再現できることを確認した。また、液中渦キャビテーション挙動に大きな影響を与える粘性について評価を行った。

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

Vortex imaging of Tl-based superconductors with a scanning SQUID microscopy

岡安 悟; 西尾 太一郎; 小野 正雄; 真下 茂; 田中 靖資*; 伊豫 彰*

Physica C, 445-448, p.245 - 248, 2006/10

 被引用回数:1 パーセンタイル:92.05(Physics, Applied)

超伝導転移温度以下の領域でタリウム系1223超伝導体薄膜の磁束量子観察を走査型SQUID顕微鏡を用いて行った。磁束量子の配列は転移温度以下でほとんど変わらず、このことは試料中にきわめて強いピン止め中心が存在していることを示している。この強いピン止め中心は試料表面の不均質に起因する。

論文

Penetration of vortices into micro-superconductors observed with a scanning SQUID microscope

西尾 太一郎; 岡安 悟; 鈴木 淳市; 門脇 和男

Physica C, 412-414(Part1), p.379 - 384, 2004/10

走査型SQUID顕微鏡(SQM2000, セイコーインスツルメンツ)を使って、われわれは30-50$$mu$$mの大きさを持つ円,三角,四角のような幾何学的な拘束条件のある微小超伝導体における磁束状態を研究した。試料は電子リソグラフィーとFIB技術によって作られた。量子化された磁束は、磁化の連続的な階段状の跳びを伴う磁場の関数として、不連続に微小超伝導体に入る。磁束数の関数として空間的な磁束の配列の量的あるいは質的な解析は最近の理論的な予測と比較されて示された。

論文

Friedel oscillation in charge profile and position dependent screening around a superconducting vortex core

町田 昌彦; 小山 富男*

Physical Review Letters, 90(7), p.077003_1 - 077003_4, 2003/02

 被引用回数:31 パーセンタイル:19.36(Physics, Multidisciplinary)

超伝導状態では、磁場は磁束量子として量子化され、限定された範囲に閉じ込められることが知られている。その一方、最近の磁束量子に関する研究により、磁束量子は電荷さえ磁束中心部に閉じ込め可能かもしれないという問題が、高温超伝導体で発見されたホール効果の異常を背景に多くの実験及び理論家により議論されている。本論文では、この最新のホットな話題である電荷閉じ込めに対し、微視的理論を基に数値計算した結果から、電荷分布の特徴と電荷の遮蔽効果を議論した。数値計算結果として特筆すべき新しい結果は、磁束のコア近傍で電荷のフリーデル振動がはっきり現れることであり、この発見は、電荷の遮蔽が超伝導体では、もっぱらトーマス・フェルミ型の単純な遮蔽効果で記述されるとした理論的常識を覆つがえした言える。しかも、このフリーデル振動は、超伝導コヒーレンスが短い量子極限では、磁束コア半径よりもさらに大きなスケールで現れるため観測可能であることも重要な発見である。本論文では、以上の計算結果を示すと同時に、超伝導磁束コアでのフリーデル振動の起源についても議論した。

論文

Vortex imaging of magnetic superconductor HoNi$$_{2}$$B$$_{2}$$C by scanning SQUID microscopy

畑 慶明; 鈴木 淳市; 掛谷 一弘*; 門脇 和男*; 中山 哲*; 永田 篤*; 小田原 成計*; 茅根 一夫*

Physica C, 378-381(Part1), p.420 - 423, 2002/10

第二種超伝導体では、ある一定以上の磁場の下で超伝導体内部に量子化された磁束が侵入する。走査型SQUID顕微鏡を用いると、この量子化された磁束の振る舞いを直接観察することができる。磁性超伝導体では、磁性イオンを含まない超伝導体とは違い、この量子磁束に内部構造が見られることが理論的に示されている。しかし、その直接観察の例はこれまでにほとんど報告されていない。そこで、走査型SQUID顕微鏡を用いて磁性超伝導体$$rm RENi_{2}B_{2}C$$の量子磁束観察を行った。磁性超伝導体$$rm RENi_{2}B_{2}C$$系は低温での磁気的性質は磁性を担う希土類イオンの種類により大きく異なる。$$rm ErNi_{2}B_{2}C$$ではクラスター状に分布した量子化された磁束量子が観測され、印加磁場の増大にともなう磁束量子の密度の増加がみられた。磁性イオンを持たないYBCOの観察結果と比較的類似した結果が得られた。これに対して$$rm HoNi_{2}B_{2}C$$では量子磁束の数倍の強度を持つ大きな磁束とその周辺に逆向きの磁束分布が観測された。これは試料の持つ磁気モーメントと超伝導体中に侵入した磁束の和が量子化条件を満足するために見られる現象で、このような現象を直接観察したのはこれが初めてである。

論文

振動円柱近傍の流速変動が円柱振動に与える影響

近藤 昌也; 安濃田 良成

日本機械学会論文集,B, 68(665), p.86 - 93, 2002/01

クロスフローによって振動する弾性片端支持円柱の流力振動現象を評価するために、円柱近傍の流速変動を円柱内に組み込んだ電磁流速計を用いて測定した。そして、その流速変動の位相とインライン方向変位の位相とを評価した。その結果、インライン振動に対する、交互渦の作用のタイミングが、流速条件によって異なることを流速変動の測定値から示した。また、第1励振域,安定域,第2励振域において、インライン振動の卓越周波数で、円柱と流れとの間にエネルギーの授受が行われていることを確認した。そして、そのエネルギー授受を示す位相の関係は、渦の種類ないしは交互渦の作用のタイミングによって変化しないことを示した。さらに、インライン方向1次元の1質点系モデルを用いて、円柱近傍の流速変動が、円柱のインライン方向変位と交互渦による流体力に対して、2つの位相を使って整理できることを示した。

論文

Water flow simulation test on flow-induced oscillation of thermowell in prototype fast breeder reactor "MONJU"

近藤 昌也; 安濃田 良成

JSME International Journal, Series B, 44(4), p.688 - 694, 2001/11

高速増殖炉「もんじゅ」の熱電対流力振動に関する水流模擬実験を行った。試験体変位の測定並びに可視化実験を行い、試験体の振幅及び周波数特性、振動の位相を評価した。評価の結果、対称渦を伴うインライン方向1次元振動が生じる流速範囲と、交互渦を伴う2次元振動が生じる流速範囲とが存在することを示した。また、ウェーブレット変換と統計処理手法を組み合わせた位相評価手法を提案し、2次元振動領域におけるインライン方向変位の位相と交互渦による外力の位相との関係が流速条件によって変化していることを示した。

論文

Vortex dissipation and level dynamics for the layered superconductors with impurities

藤田 あゆみ

Physical Review B, 64(6), p.064504_1 - 064504_6, 2001/08

 パーセンタイル:100(Materials Science, Multidisciplinary)

磁場下での不純物を含む層状(2次元)超伝導体中で、ローレンツ力を受けて動いている磁束コア内の準粒子励起エネルギー準位の準位統計を調べる。磁束が移動する速度$$kappa$$をさまざまに変化させた場合に、不純物濃度が異なる各相において数値計算によりユニバーサルな伝導度を求めた。速度が大きい場合に、ランダム行列理論の予測する結果と一致する結果を得た。反対に速度が小さい領域では、磁束芯内の不純物が1個というsuper-clean極限でのLarkin-Ovchinnikovの結果$$sigma_{xx}propto kappa^{2/3}$$と一致する結果を得た。この場合、エネルギー散逸はエネルギー準位の間隔が平均のそれより非常に小さくなるいわゆる"avoided crossing"と呼ばれる場所でのLandau-Zener転移により起こると考えられる。

論文

Study on oscillated flow around excited cylinder using built-in electromagnetic flowmeters

近藤 昌也; 安濃田 良成

Emerging Technologies for Fluids, Structures and Fluid-Structure Interaction, 2001 (PVP-Vol.431), p.111 - 117, 2001/07

クロスフローによって振動している円柱について、円柱近傍の変動流の流速を円柱中に組み込んだ電磁流速計を用いて測定した。そして、変動流の位相と円柱のインライン方向変位の位相とを比較した。比較の結果、(1) 変動流に含まれる交互渦の周波数成分の位相は、円柱のインライン方向変位の位相に対して、ある一定の関係を成していること、(2) その関係は、インライン振動の2つの励振域に挟まれた流速範囲(安定域)と、交互渦のロックイン振動が生じている流速範囲(第2励振域)とでは異なること、(3) 円柱の両側の変動流の位相は、円柱の振動周波数では同位相、交互渦の周波数では逆位相であることを明らかにした。(1)及び(2)の結果は、インライン振動の平均振幅の大きさの変化に交互渦が影響しているという著者らの主張を裏付けるものとなった。

論文

Effects of defect morphology on the properties of vortex system in Bi$$_{2}$$Sr$$_{2}$$CaCu$$_{2}$$O$$_{8+delta}$$ irradiated with GeV heavy ions

黒田 直志; 石川 法人; 知見 康弘; 岩瀬 彰宏; 池田 博*; 吉崎 亮造*; 神原 正*

Physical Review B, 63(22), p.224502_1 - 224502_5, 2001/06

 被引用回数:5 パーセンタイル:64.03(Materials Science, Multidisciplinary)

酸化物超伝導体の磁束系に及ぼす柱状欠陥の形態依存性について調べた。まずTEMによる観察の結果、GeVイオンによって生成される柱状欠陥は、電子的阻止能が大きい時は、連続的な、直径のそろった1本のトラックであるが、阻止能が小さくなるに従い、直径に大きな分布を持った構造になる。このような柱状欠陥形態に依存して、磁束のグラス転移の様子も変化する。阻止能の大きなイオンによって生成された欠陥は、Bose-glass転移をもたらすのに対し、阻止能の小さなイオンによる欠陥は、Bose-glass転移とくらべて、大きな臨界指数を持った、vortex glass転移をひきおこす。

論文

Study of alternate vortices effect on in-line oscillations of flexible cylinder

近藤 昌也; 安濃田 良成

Emerging Technologies in Fluids, Structures, and Fluid/Structure Interactions (PVP-Vol.414-1), p.171 - 177, 2000/07

一様な流れの中に置かれた円柱のインライン振動と交互渦による励振力との関係について、ウェーブレット変換を用いて評価した。評価は、まず、円柱のインライン方向変位と交互渦周波数成分との位相関係を評価し、そして、交互渦の励振力と交互渦の周波数成分の関係をモデル化することで行った。評価の結果、インライン振動の平均振幅が減少する流速範囲では、交互渦が円柱に対して負の仕事を行っていること、平均振幅が増大する流速範囲では交互渦が正の仕事を行っていることを明らかにした。

論文

水冷却型試験・研究炉の炉心冠水維持装置サイフォンブレーク弁の性能評価法

桜井 文雄; 熊田 博明; 神永 文人*

日本原子力学会誌, 42(4), p.325 - 333, 2000/04

 パーセンタイル:100(Nuclear Science & Technology)

本研究においては、サイフォンブレーク弁の炉心冠水維持装置としての性能を評価するためのプログラムを開発し、その試験・研究炉への適用性を実験的に検討した。本プログラムにおいては、サイフォンブレーク弁から吸入された空気と1次冷却水が配管内において完全に分離するとした気液完全分離モデルを採用した。本モデルにより、サイフォンブレーク弁の炉心冠水維持性能は確実に評価できることを検証した。また、非常に流出流量が大きい1次冷却系配管破損事故における冷却水流出事象を精度良く解析するためには、空気の巻き込みを伴う渦(air-entraining vortex)の発生を考慮する必要があることが明らかとなった。

論文

インライン流力振動に及ぼす交互渦の影響

近藤 昌也; 安濃田 良成

日本機械学会論文集,C, 65(639), p.4252 - 4259, 1999/11

片端支持円柱の流力振動実験を行い、インライン振動に対する交互渦の影響を評価した。時間-周波数解析を用いてインライン方向変位の位相と交互渦による外力の位相との関係を整理した結果、2つの励振域とその間に存在する安定域とでは位相関係が異なることを明らかにした。そして、安定域の位相関係にある場合には、交互渦が円柱に対して負の仕事をすること、励振域の位相関係にある場合には、交互渦が円柱に対して正の仕事をすることを、1自由度振動系モデルを用いて示した。これにより、交互渦がインライン振動の平均振幅の流速に対する変化に大きく関わっていることを明らかにした。

論文

The Order of phase transition of reentrant line in detwinned YBCO single crystal

岡安 悟; 朝岡 秀人

Physica B; Condensed Matter, 317-318, p.633 - 636, 1999/00

双晶を含まないYBCO単結晶では、従来のものとは異なるピーク効果がみられる。ピーク効果を示す付近で磁化測定を行い、磁化の磁場依存性がln(H/H$$^{ast}$$)(H$$^{ast}$$はピーク効果のはじまる特徴的な磁場を表す)で表されることを示した。このH$$^{ast}$$という磁場は2つの異なる磁束状態を隔てる境界線を表している。H$$^{ast}$$より小さい磁場領域ではピン止め力の極めて小さい状態であるが、H$$^{ast}$$より大きな磁場領域においてはピン止め力の大きなボルテックスグラス状態となっており、これが特異なピーク効果を引き起こしていると考えられる。

論文

Parallel and crossed columnar defects aligned at 45° to the c axis in Bi$$_{2}$$Sr$$_{2}$$CaCu$$_{2}$$O$$_{x}$$ tapes

数又 幸生*; 岡安 悟; 左高 正雄; 熊倉 浩明*

Physical Review B, 58(9), p.5839 - 5847, 1998/09

 被引用回数:7 パーセンタイル:56.43(Materials Science, Multidisciplinary)

平行及び交差した円柱状欠陥をBi-2212テープ材に導入して、磁束の挙動を調べた。両欠陥ともに不可逆曲線を著しく増加させた。不可逆曲線の角度依存性を調べた結果平行な円柱状欠陥では、欠陥方向にピークが観測されるのに対して、交差した欠陥では中間位置にピークが存在することを見い出した。ab面に平行に磁場をかけた場合、不可逆曲線が温度と共に指数的に減衰することを示し、この減衰がキンクの運動によって支配されていると説明した。欠陥と平行に磁場をかけた場合不可逆曲線は、欠陥に捕獲された1本1本の磁束の温度依存性によって支配されていることを示した。円柱状欠陥による指向性は5Kでは観測されず、30K以上の温度で現れることを見い出した。欠陥の不規則分布は、高磁場で磁束のピンニングを不安定にすることを示した。

論文

Experimental and analytical studies on high-speed plane jet along concave wall simulating IFMIF Li target flow

中村 秀夫; 伊藤 和宏*; 久木田 豊*; 井田 瑞穂*; 加藤 義夫; 前川 洋; 勝田 博司

Journal of Nuclear Materials, 258-263, p.440 - 445, 1998/00

 被引用回数:7 パーセンタイル:42.64

国際核融合材料照射施設(IFMIF)の概念設計活動(CDA)の一環として行った、高速の液体リチウム板状ジェットターゲット流の熱流動特性に関する、水での模擬実験と数値解析の結果をまとめた。実寸大に模擬したジェット流では、試験条件内(流速≦17m/s,長さ約130mm)で安定した流れが得られ、数値解析により、熱的安定性を確認した。最近の実験で行った詳細な流速分布の計測から、遠心力による静圧分布のため、ジェット流の厚さ方向に自由渦流れと同様の流速分布が形成させると共に、この流速分布の影響が上流の吹き出しノズル内にまで及んでいることがわかった。2次元の正方メッシュを用いた解析を行い、このようなノズル出口付近の流速分布変化を良く予測できることを確認した。

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