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論文

Consistent robin boundary enforcement of particle method for heat transfer problem with arbitrary geometry

Wang, Z.; Duan, G.*; 松永 拓也*; 杉山 智之

International Journal of Heat and Mass Transfer, 157, p.119919_1 - 119919_20, 2020/08

 被引用回数:1 パーセンタイル:100(Thermodynamics)

Enforcing accurate and consistent boundary conditions is a difficult issue for particle methods, due to the lack of information outside boundaries. Recently, consistent Neumann boundary condition enforcement is developed for the least squares moving particle semi-implicit method (LSMPS). However, the Robin boundary cannot be straightforwardly considered by that method because no computational variables are defined on the wall boundary. In this paper, a consistent Robin boundary enforcement for heat transfer problem is proposed. Based on the Taylor series expansion, the Robin boundary condition for temperature is converted to the fitting function of internal rather than boundary particles and incorporated into least squares approach for discretization schemes. Arbitrary geometries can be easily treated due to the use of polygons for wall boundary. A convergence study was firstly carried out to verify the consistency. Then, numerical tests of 1-D and 2-D heat conduction problems subjected to mixed boundary conditions were performed for verification, and good agreements with theoretical solutions were observed. Natural convection problems with different boundary conditions in an annulus were carried out for further validations of heat-fluid coupling. Excellent agreements between the present and literature results were demonstrated.

論文

Establishment of reasonable 2-D model to investigate heat transfer and flow characteristics by using scale model of vessel cooling system for HTTR

高田 昌二; Ngarayana, I. W.*; 中津留 幸裕*; 寺田 敦彦; 村上 健太*; 沢 和弘*

Mechanical Engineering Journal (Internet), 7(3), p.19-00536_1 - 19-00536_12, 2020/06

高温工学試験研究炉(HTTR)を使った炉心冷却喪失試験では、財産保護上の観点から、炉容器冷却設備(VCS)において自然対流により加熱される構造物の温度分布の評価精度向上を課題としている。伝熱流動数値解析コードFLUENTをHTTRのVCSに適用するために、予測精度を維持しつつ計算資源を節約できる合理的な2次元モデルの構築を始めた。本評価モデルの検証のため、HTTR用VCSの1/6スケールモデルによる構造物の温度に関する試験結果を使用し、解析による計算結果と比較した。本試験データは、圧力容器の温度を200$$^{circ}$$C前後に設定することで、全除熱量における自然対流伝熱の割合を20%前後と有意なレベルの伝熱現象として測定したものである。自然対流による上昇流の影響で高温となる圧力容器上部の伝熱流動特性の評価精度向上のためには、実形状の模擬および自然対流に適した乱流モデルの選定が重要となる。乱流モデルとして、剥離,再付着及び遷移流れを考慮できる$$kappa$$-$$omega$$-SSTモデルを選定し、従来の$$kappa$$-$$varepsilon$$モデルでは再現されなかった圧力容器の温度分布の試験結果とよく一致していることを確認した。この結果、圧力容器上部にホットスポットがなく、模擬炉心により加熱された高温のヘリウムガスが乱流によりよく混合され圧力容器上部を均一に加熱する様子を適切に評価した。

報告書

2018年度夏期休暇実習報告; HTTR炉心を用いた原子力電池に関する予備的検討; 核設計のための予備検討

石塚 悦男; 松中 一朗*; 石田 大樹*; Ho, H. Q.; 石井 俊晃; 濱本 真平; 高松 邦吉; Kenzhina, I.*; Chikhray, Y.*; 近藤 篤*; et al.

JAEA-Technology 2019-008, 12 Pages, 2019/07

JAEA-Technology-2019-008.pdf:2.37MB

2018年度の夏期休暇実習として、HTTR炉心を原子力電池に見立てた場合の核的な予備検討を実施した。この結果、熱出力2MWで約30年、3MWで約25年、4MWで約18年、5MWで約15年の運転が可能であるこが明らかとなった。また、熱的な予備検討として、自然循環冷却かつ可動機器のない発電システムを有する原子力電池のイメージを提案した。今後は、次年度の夏期休暇実習として更に検討を進め、原子力電池の成立性について検討する予定である。

論文

New reactor cavity cooling system (RCCS) with passive safety features; A Comparative methodology between a real RCCS and a scaled-down heat-removal test facility

高松 邦吉; 松元 達也*; 守田 幸路*

Annals of Nuclear Energy, 96, p.137 - 147, 2016/10

 被引用回数:3 パーセンタイル:55.86(Nuclear Science & Technology)

東京電力の福島第一原子力発電所事故(以下、福島事故)後、深層防護の観点から炉心損傷の防止対策が重要になった。そこで、動的機器および非常用電源等を必要とせず、福島事故のようにヒートシンクを喪失することのない、受動的安全性を持つ原子炉圧力容器の冷却設備を提案する。本冷却設備は安定して冷却できるため、定格運転時の一部の放出熱、および炉停止後の一部の崩壊熱を、常に安定的に受動的に除去できる。特に事故時において、本冷却設備が持つ冷却能力の範囲まで崩壊熱が減少した際、それ以降は非常用電源等が必要なくなり、長期間(無限時間)に渡って受動的な除熱が可能となる。一方、本冷却設備の優れた除熱性能を示すために、等倍縮小した除熱試験装置を製作し、ふく射および自然対流に関する実験条件をグラスホフ数を用いて決定することもできた。

論文

Natural convection heat transfer of high temperature gas in an annulus between two vertical concentric cylinders

稲葉 良知; Zhang, Y.*; 武田 哲明; 椎名 保顕

Heat Transfer-Asian Research, 34(5), p.293 - 308, 2005/07

高温ガス炉の炉容器冷却システムの1つに、水による冷却パネルを用い、自然対流と熱放射により間接的に炉心を冷却するシステムがあり、高温工学試験研究炉(HTTR)においても、このシステムが採用されている。本研究では、HTTRの原子炉圧力容器-冷却パネル間内高温気体の熱伝達特性を調べるため、内筒を加熱、外筒を冷却した鉛直同心二重円筒内の面間の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する実験と数値解析を行った。実験において、環状空間の高さに基づいたレイレー数は、ヘリウムガスに対して2.0$$times$$10$$^{7}$$$$<$$Ra$$<$$5.4$$times$$10$$^{7}$$、窒素ガスに対して1.2$$times$$10$$^{9}$$$$<$$Ra$$<$$3.5$$times$$10$$^{9}$$となった。また数値解析の結果は、加熱壁面と冷却壁面の温度に関して実験とよく一致した。実験と数値解析の結果から、面間の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する相関式を、レイレー数,半径比,加熱壁面及び冷却壁面の温度と熱放射率の関数として得た。

論文

矩形流路内に生じるヘリウム-空気対向流に関する研究

文沢 元雄; 田中 学*; Zhao, H.*; 菱田 誠*; 椎名 保顕

日本原子力学会和文論文誌, 3(4), p.313 - 322, 2004/12

国際原子力総合技術センターで整備した高温ガス炉用の炉内核熱解析コードのサブモジュールを使用して、ヘリウム-空気対向流の流速分布と濃度分布を数値解析によって求め、以下の事項を実験結果と照合した。(1)準定常的な置換流が形成されるまでの時間,(2)流れのパターンと流路の傾斜角$$theta$$との関係,(3)上昇流と下降流の流速分布の発達過程,(4)上昇流及び下降流の流路幅及び流速分布と傾斜角$$theta$$との関係,(5)濃度分布と流路の傾斜角との関係,(6)正味流入流量と流路の傾斜角との関係その結果、流速分布及び正味流入流量について実験値と解析値は、両者が良い一致を示すことも確認した。

論文

鉛直同心二重円筒内高温気体の自然対流熱伝達に関する研究

稲葉 良知; Zhang, Y.*; 武田 哲明; 椎名 保顕

日本機械学会論文集,B, 70(694), p.1518 - 1525, 2004/06

高温ガス炉の炉容器冷却システムの1つに、水による冷却パネルを用い、自然対流と熱放射により間接的に炉心を冷却するシステムがあり、高温工学試験研究炉(HTTR)においても、このシステムが採用されている。本研究では、HTTRの原子炉圧力容器-冷却パネル間内高温気体の熱伝達特性を調べるため、内筒を加熱,外筒を冷却した鉛直同心二重円筒内の面間の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する実験と数値解析を行った。実験において、環状空間の高さに基づいたレイレー数は、ヘリウムガスに対して2.0$$times$$10$$^{7}$$$$<$$Ra$$<$$5.4$$times$$10$$^{7}$$、窒素ガスに対して1.2$$times$$10$$^{9}$$$$<$$Ra$$<$$3.5$$times$$10$$^{9}$$となった。また数値解析の結果は、加熱壁面と冷却壁面の温度に関して実験とよく一致した。実験と数値解析の結果から、面間の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する相関式を、レイレー数,半径比,加熱壁面及び冷却壁面の温度と熱放射率の関数として得た。

論文

Modeling for evaluation of debris coolability in lower plenum of reactor pressure vessel

丸山 結*; 森山 清史; 中村 秀夫; 平野 雅司; 中島 研吾*

Journal of Nuclear Science and Technology, 40(1), p.12 - 21, 2003/01

 被引用回数:4 パーセンタイル:66.6(Nuclear Science & Technology)

デブリと下部ヘッドとの境界におけるギャップを満たす水のデブリ冷却効果を、実炉規模の定常計算に基づいて概略的に評価した。本計算では、狭隘流路における限界熱流束及び内部発熱流体の自然対流熱伝達に関する相関式を用い、ギャップ幅に依存する下部プレナム内冷却可能最大デブリ堆積深さを算出した。計算結果は、TMI-2事故の条件下では1mmから2mmの幅を有するギャップによりデブリを冷却可能なこと、より多量のデブリを冷却するためにはギャップ幅の大幅な増大が必要であることを示唆した。定常計算と併せて、過渡挙動の重要性を明確にするため、ギャップの成長及びギャップ内浸水に関するモデルを構築し、低レイノルズ数型二方程式モデルに分類されるYinらの乱流自然対流モデルとともにCAMPコードに組み込んだ。乱流モデルはUCLAで実施された内部発熱流体自然対流実験の解析により検証し、容器壁面における局所熱伝達係数の分布を精度良く予測することを確認した。ギャップ冷却に関するモデルの検証は、原研で実施した、水で満たした半球容器に溶融アルミナを注いだ圧力容器内デブリ冷却性実験の解析を通して行った。構築したギャップ冷却モデルを用いることにより、CAMPコードが容器壁の温度履歴を再現可能であることを明らかにした。

報告書

Study on natural convection heat transfer in vertical annular space of a double coaxial cylinder

稲葉 良知; 武田 哲明

JAERI-Research 2000-062, 73 Pages, 2001/02

JAERI-Research-2000-062.pdf:2.83MB

高温ガス炉の炉容器冷却システムの1つのに、水による冷却パネルを用い、自然対流と熱放射により間接的に炉心を冷却するシステムがある。高温工学試験研究炉(HTTR)においても、このシステムが採用されている。本研究では、HTTRの原子炉圧力容器-冷却パネル間の熱伝達特性を調べるため、内筒を加熱、外筒を水により冷却した同心二重円筒容器内の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する実験を行った。実験において、加熱壁面-冷却壁面間距離を代表長さとしたレイレー数は、ヘリウムに対して6.8$$times$$10$$^{5}$$<Ra<1.8$$times$$10$$^{6}$$、窒素に対して4.2$$times$$10$$^{7}$$<Ra<10$$^{8}$$となった。試験空間内の自然対流と熱放射の効果について調べ、その結果熱放射を伴う自然対流伝達の相関式をレイレー数,試験空間のアスペクト比,加熱壁面・冷却壁面温度及び熱放射率の関数として得た。また実験を模擬した数値解析を行い、実験結果に対する解析の妥当性を評価したところ、両者は比較的良く一致した。

論文

Validation of CAMP code for thermo-fluiddynamics of molten debris in lower Plenum

丸山 結; 森山 清史; 中村 秀夫; 橋本 和一郎; 平野 雅司; 中島 研吾*

Proceedings of RASPLAV Seminar 2000 (CD-ROM), 8 Pages, 2000/11

シビアアクシデント時圧力容器下部プレナム内溶融炉心熱流動解析コードCAMPの検証を行った。本コードは、内部発熱流体の自然対流と下部ヘッドへの熱負荷、下部ヘッドと溶融炉心固化物間の隙間形成と隙間への冷却水の浸入をモデル化している。半球容器内でフレオンを電磁加熱したUCLA実験の解析では、流体の温度、容器壁面熱伝達係数等を良く予測した。半球スライス容器内で溶融塩を容器側壁から加熱したRASPLAV-salt実験では、熱伝達特性を定性的に再現した。原研で実施した半球体系の圧力容器内溶融炉心冷却性実験の解析を行い、隙間への冷却水浸入モデルを用いることにより実験で測定された容器壁の温度履歴を再現できることを示した。また、狭隘流路内限界熱流束及び内部発熱流体自然対流熱伝達に関する相関式を用い、隙間への冷却水浸入のみでは、大量の溶融炉心の冷却が困難であることを明らかにした。

論文

Visualization of simulated molten-fuel behavior in a pressure vessel lower head using high-frame-rate neutron radiography

中村 秀夫; 柴本 泰照; 安濃田 良成; 久木田 豊*; 三島 嘉一郎*; 日引 俊*

Nuclear Technology, 125(2), p.213 - 224, 1999/02

 被引用回数:8 パーセンタイル:43.85(Nuclear Science & Technology)

高温(≦773K)で液状の鉛ビスマス合金の水中あるいは空の模擬容器への落下挙動を、高速度撮像の中性子ラジオグラフィで観察した。高速ビデオカメラ、イメージインテンシフィヤ及びJRR-3Mの高速中性子ビームにより、溶融及び固化金属と水、沸騰による水蒸気との激しい相互作用を、最高500フレーム毎秒で明瞭に可視化した。さらに、金カドミニューム合金のトレーサー粒子を混入することで、水中に落下した溶融金属の流速分布計測をPIV法を用いて実施した。以上の結果から、本可視化手法が、金属/気相/液相混合物の、高速でかつ複雑な現象の観察に適用可能なことを示した。

論文

マイクロカプセル化相変化物質スラリーを用いた加熱水平円柱まわりの自然対流熱伝達

久保 真治; 秋野 詔夫; 田中 周*; 長島 昭*

日本機械学会論文集,B, 64(625), p.3013 - 3020, 1998/09

大きな融解凝固潜熱を有する相変化物質をマイクロカプセル化した物質(MCPCM)を低粘性の搬送流体中に分散しスラリー状にする(MCPCMスラリー)ことによって、常時流動性を維持させ、かつ、大きな熱量を保持する熱媒体を試作した。この熱媒体を容器内に注入し、水平円柱を用いて加熱して自然対流熱伝達実験を行った。その結果、純水と比較したMCPCMスラリー(純水にMCPCMを低濃度:$$<$$5%添加)の熱伝達率は、相変化が生じる条件レベルでは、数十%程度増加したが、相変化が生じない条件では減少した。純水にMCPCMを添加する効果による熱伝達率の増加率は、MCPCM濃度を上げるに従って増加し、また、境膜温度差を小さくするに従って増加した。

論文

Temperature distributions in a tokamak vacuum vessel of fusion reactor after the loss-of-vacuum events occurred

高瀬 和之; 功刀 資彰; 柴田 光彦; 関 泰

Fusion Engineering and Design, 42, p.83 - 88, 1998/00

 被引用回数:11 パーセンタイル:31.13(Nuclear Science & Technology)

国際熱核融合実験炉(ITER)の熱流動安全性研究のうち、真空境界破断事象時に真空容器の破断口部に生じる置換流挙動を定量化するために真空境界破断事象予備実験を行っている。筆者らはすでに常温下における実験の結果から、真空容器に設けられた破断口数及び破断口位置が真空容器内の置換量に与える影響を明らかにした。今回は、真空容器を200$$^{circ}$$Cに加熱した条件の基で真空境界が破断した場合の真空容器内の温度分布を定量的に調べ、その結果をもとに真空容器内の流動挙動を評価した。本研究の結果、破断口が1つの場合は破断口位置に応じて破断口部に対向流または成層流が形成され、破断口が2つの場合は同様に破断口位置に応じて一方向流または二方向流が形成されることが真空容器内温度分布の測定結果から明らかになった。

論文

Design and evaluation methods for a water cooling panel system for decay heat removal from a high-temperature gas-cooled reactor

高田 昌二; 鈴木 邦彦; 稲垣 嘉之; 数土 幸夫

Heat Transfer-Jpn. Res., 26(3), p.159 - 175, 1997/00

高温ガス炉(HTGR)の崩壊熱除去用水冷形冷却パネルシステムの除熱特性と構造物の温度分布を調べるため、システムを模擬した実験装置により実験を行った。実験装置は、炉心の崩壊熱を模擬した最高出力100kWの電気ヒーターを内蔵した、直径1m,高さ3mの圧力容器と、容器を取り囲む冷却パネルからなる。数値解析コードTHAPACST2の数値解析手法と提案されたモデルを検証するために、実験と数値解析の比較検討を行った。圧力容器内ヘリウムガス圧力を0.73MPa,温度を210$$^{circ}$$Cの条件で、圧力容器温度は-29$$^{circ}$$C,+37$$^{circ}$$Cの誤差の範囲で実験データをよくあらわした。冷却パネルの除熱量の数値解析結果は実験結果に比べて11.4%低く、放射による伝熱量は除熱量の全入熱量の74.4%であった。また、圧力容器のスカート形サポートの上下端の空気流路を流れる自然対流により圧力容器の下鏡部が効果的に冷却されることがわかった。

論文

水平方向にズレのある二本の加熱水平円柱の自然対流の干渉効果

亀岡 利行*; 岡田 裕紀*; 久保 真治; 秋野 詔夫; 田中 周*; 高瀬 和之

可視化情報学会誌, 18(68), p.1 - 8, 1997/00

容器内に水平に設置した二本の加熱円柱の自然対流実験を行った。二本の円柱の配置に、水平に並べた状態よりズレを与えて、下円柱から立ち上がるサーマルプリュームが上円柱の熱伝導に影響する効果を調べた。感温液晶法による温度分布の可視化と、熱電対等を用いた測定の併用により、以下のことが明らかとなった。上円柱の熱伝達率は、特異に増減することがあり、これは下円柱からのプリュームが上円柱を横切ったり、接近したりすることと対応していた。上円柱の境界層が下円柱のプリュームと干渉して、その熱伝達率が促進するか劣化するかは二本の円柱の位置のズレの大きさと関係していた。

論文

Three-dimensional analysis on thermo-fluiddynamics in piping with WINDFLOW

丸山 結; 五十嵐 実; 中村 尚彦; 日高 昭秀; 橋本 和一郎; 杉本 純; 中島 研吾*

JAERI-memo 08-127, p.233 - 238, 1996/06

WINDFLOWコードは、圧縮性粘性流体を対象とした3次元熱流動解析コードである。本コードでは、三角形及び四角形セルにより流路断面を分割できるハイブリッド格子を採用している。WINDFLOWを配管信頼性実証試験(WIND)計画で実施した配管内熱流動試験の解析に適用した。本実験では、アルゴンガスを温度勾配を持つ水平配管内に1.0~7.1Ne/秒の体積流量で供給し、気体の温度分布を測定した。解析の結果、自然対流に起因する配管断面2次流れの形成が予測された。また配管壁近傍において急峻な温度勾配が形成され得ることが判明した。実験との比較では、軸方向温度分布に関しては差異が見られたが、半径方向温度分布については、定性的に実験結果を再現することができた。今後、乱流モデル、配管構造材内熱伝導モデル等を加える計画である。

論文

Visualization of heat flux distributions using liquid-crystal thermography

秋野 詔夫; 久保 真治; K.-S.Choi*

Proc. of ASME Fluid Engineering Division Summer Meeting 1996 (FED-Vol. 239), 4, p.439 - 445, 1996/00

本論文は、伝熱面上の熱流束分布をリアルタイムで可視化観察する新しい方法を考案し、応用した結果について述べるものである。本方法の原理は、等温伝熱面の上に薄い熱抵抗層を設け、そこを流過する熱流束に比例する小さな温度差を生じさせ、その分布を温度分解能が良い感温液晶膜によって色彩分布に変換して可視化観察するところにある。まず、乱流強制対流伝熱現象に応用し、水流によって生じる乱流構造に対応すると考えられる壁面熱流束の動的分布を観察した。熱伝導解析を行い本実験では中程度の流束まで追従性が有ることを明らかにした。さらに、ベナール対流によって、これまでリアルタイムで観察されたことがなかった熱流束分布の可視化に成功した。

論文

研究用原子炉の定常熱水力解析コードCOOLOD-N

神永 雅紀

RIST News, (21), p.42 - 47, 1996/00

COOLOD-Nは、板状燃料を使用する研究用原子炉の炉心定常熱水力特性を解析するためのコードとして既存のCOOLODコードを基に、自然循環冷却時の炉心流量計算機能、板状燃料を使用する研究炉用に開発された熱伝達相関式などを新たに組込み整備したものである。COOLOD-Nは、これまでにJRR-3M(JRR-3改造炉)、インドネシアのRSG-GAS(MPR-30)、メキシコで計画中のMEX-15、JRR-4低濃縮シリサイド炉心などの炉心熱水力特性解析に用いられてきた。ここで、紹介するコードはCOOLOD-Nであるが、COOLOD-Nの開発後、JRR-4の低濃縮化に際してTRIGA燃料炉心についても検討する必要が生じ、最新版としてはTRIGA燃料のような棒状燃料も取扱い可能としたCOOLOD-N2もある。本稿では、COOLOD-Nの主な特徴と主要な計算モデルについて紹介する。

論文

物性値の温度依存性を考慮した浮力流れの数値解析

坂元 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

Therm. Sci. Eng., 4(3), p.17 - 25, 1996/00

正方形容器内の空気流れを解析対象として、ブシネ近似を用いずに基礎式の全ての項で密度変化を考慮し、かつ物性値の温度依存性も考慮した式(以下NB式と表す)を用いて自然対流の2次元数値解析を行った。その結果、以下の結論を得た。(1)密度のみならず動粘度と熱伝導率に温度依存性を考慮した場合、冷却壁近傍の運動量が増加し、熱流動場が非対称な分布を示す。(2)密度の局所的な変化を考慮することによる熱伝達への影響は少ない。これに対して動粘度、熱伝導率の温度依存性はNuを加熱壁で減少、冷却壁で増加させ、熱伝達に大きな影響を及ぼす。(3)ブシネ近似を用いても、物性値の温度依存性を考慮すると、NB式に近い結果が得られる。(4)NB式から求まるNuと、物性値の温度依存性を考慮せずにブシネ近似を用いた場合のNuを比較し、その差を定量的に明らかにした。

論文

Core melt behaviors and thermal properties in LWR severe accident

杉本 純; 上塚 寛; 日高 昭秀; 丸山 結; 山野 憲洋; 橋本 和一郎

Thermophysical Properties 17 (17th Japan Symp. 1996), 0, p.163 - 166, 1996/00

シビアアクシデント時の伝熱挙動は、一般に多成分・多相流が関与するとともに、現象として極めて複雑・多様であることに大きな特徴がある。このうち溶融炉心の挙動としては、炉心の溶融進展、溶融炉心の自然対流、溶融炉心と原子炉圧力容器壁との反応、原子炉圧力容器外部冷却法による溶融炉心の冷却、溶融炉心と冷却材の相互作用、溶融炉心と格納容器床コンクリートとの反応などがある。これらの現象を明らかにするとともに、解析的な評価を行うためには、溶融炉心の融点である2,800$$^{circ}$$Cを越える高温での溶融炉心の比熱、熱伝導率、熱拡散率、密度、表面張力、粘度等の熱物性値が必要である。また、関連する実験とその解析を行うためにも実験体系における同様の熱物性値が必要である。しかし、これらについては非常に限られたものしか得られていないのが現状である。本稿では、シビアアクシデント時の溶融炉心挙動と熱物性について、研究の現状と今後の課題について述べている。

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