中性子ラジオグラフィによる管内沸騰二相流のボイド率定量評価

2012/01/06-07
中性子ラジオグラフィによる
管内沸騰二相流のボイド率定量評価
Quantitative Evaluation of Void Fraction
on Boiling Two-phase Flow in a Tube by Using Neutron Radiography
Seminar on neutron imaging @KURRI
○中村祥太（関西大院）
網健行（関西大）
藤吉翔太（関西大）阪倉一成（関西大院）
梅川尚嗣（関西大）齊藤泰司（京大炉）
□ Quantitative evaluation of void fraction
of boiling two-phase flow in a tube using neutron radiography
1. Background and objective
2. Experimental apparatus
3. Image processing method
4. Experimental result
□Another experiment
1. downward flow
2. Oscillatory flow
□ Summary
Introduction
Boiling two-phase flow
・低クオリティ領域のボイド率は
限界熱流束・流動安定性・出力安定に影響
・流量や管径状等の影響
Annular
flow
→従来の測定法のみでは
十分な評価が行われているとは言い難い
中性子ラジオグラフィ
Slug flow
Bubbly
flow
Single phase
liquid
・物体内部を透視することができ，
管内の直接的な観察が可能である
・可視化画像を用いることで沸騰二相流を
把握する上で重要なパラメータとなる
ボイド率測定へ応用
Radiography
Visible light
Neutron beam
Mirror
f0
f
CCD camera
Lens
Converter
f  f0 exp(   m )
Mass attenuation coefficients m [cm/g]
密度：[g/cm3] 質量減衰係数 : m [cm/g]
103
102
Scatter and absorption
Predominantly scatter
Predominantly absorption
Absorption
X-ray (125keV)
Gd
H
101
金属：透過しやすい
Eu
Li
H2O
100
水：強く減衰
Sm
Cd
B
中性子
Be
C
10-1
10-2
0
N
Dy
Cl
ln
Sc
Ir Hg
Er
Rh
Au
Hf
Ag
Nd
Ni Se
Re
Tm
Fe
Cs
O Ne
Ti
Lu
Cu
Mg
Br Rb
Xe
La
F
Mo
Pt
Na Si P K V Mn
Pr Tb Yb
Sb
Pb
As
I
Ta
Cr
W
Ca
Al
Zn Ge Kr Nb Ru
Ho
Sn Te
S
Ce
Os Tl Bi
Ga Sr
Ba
20
Co
40
60
Atomic number [-]
80
Th
U
100
金属管内沸騰二相流の
可視化に
有用な手段
Radiography
Visible light
Neutron beam
Mirror
f0
f
CCD camera
Lens
Converter
f  f0 exp(   m )
Mass attenuation coefficients m [cm/g]
密度：[g/cm3] 質量減衰係数 : m [cm/g]
103
102
Gd
H
水：強く減衰
・中性子ラジオグラフィを用いて
金属：透過しやすい
沸騰二相流のボイド率を定量評価
Eu
Li
H2O
100
中性子
Objective
Sm
Cd
B
101
Scatter and absorption
Predominantly scatter
Predominantly absorption
Absorption
X-ray (125keV)
Be
C
10-1
10-2
0
N
Dy
Cl
ln
Sc
Ir Hg
Er
Rh
Au
Hf
Ag
Nd
Ni Se
Re
Tm
Fe
Cs
O Ne
Ti
Lu
Cu
Mg
Br Rb
Xe
La
F
Mo
Pt
Na Si P K V Mn
Pr Tb Yb
Sb
Pb
As
I
Ta
Cr
W
Ca
Al
Zn Ge Kr Nb Ru
Ho
Sn Te
S
Ce
Os Tl Bi
Ga Sr
Ba
20
Co
40
60
Atomic number [-]
80
Th
U
100
金属管内沸騰二相流の
可視化に
有用な手段
Radiography
air only
two-phase
liquid only
flow
offset
Void fraction distribution
ボイド率 α ：気相と液相の存在比
 S ( x, y , t )  O ( x, y ) 
ln  TP

S L ( x, y )  O ( x, y ) 

α( x, y, t )＝
 S ( x, y )  O ( x, y ) 
ln  G

)  O ( x, y ) 
 S Void
L ( x, y
fraction
0
SG
SL
STP
O
1
Nuclear Reactor
Nuclear reactor
KUR（B4 port）
Thermal output
1 MW
Neutron flux
1×107 n/cm2s
Typical spectrum
1.2 A
Guide tube length
11.7 m
Guide tube
cross section
10（D）×75（D’） mm
Imaging System
CCD camera
Lens
Lens
CCD camera
Converter
“ZNSL-L100-AL1016”
（CHICHIBU FUJI co., ltd.）
Lens
“APO MACRO 180mm F3.5”
（SIGMA corporation）
CCD camera
“PIXIS 1024B”
（Princeton Instruments）
Imaging array ： 1024×1024 pixels
Experimental Apparatus
Experimental Apparatus
Tout
D.P. Cell
Electrical
Insulation
Experimental condition
Electrode
I.D.
3mm, 5mm, 10mm
G
300，600，1000 kg/m2s
Tin
80 deg.C
出口温度で系圧を換算
400,
1000
◇ボイド率測定方法
z=0
Electrical
Insulation
D.P. Cell
Tin
Electrode
条件：クオリティ一定，
軸方向にテストセクションをトラバース
Visible region
熱電対
設置位置
テストセクション
68.6
z
y
Flame size
1024×1024
pixel×pixel
Spatial
resolution
0.067mm/pixel
Exposure time
20s (3mm,5mm)
30s (10mm)
x
Measurement Error
即発γ線
モルフォロジーフィルタ
暗電流値
オフセット補正
Gray level
400
White
spot
noise
5000
0
0
200
0
3000
0
Gray level
200 400 600 800 1000
Transverse position [pixel]
処理前
800
600
400
200
Gray level
600
Axial coordinate [pixel]
800
0
0
3000
Gray level
5000
0
0 200 400 600 800 1000
Transverse position [pixel]
処理後
Axial coordinate [pixel]
1000
1000
Measurement Error
Unsharpness
・中性子ビームは完全な平行ビームではないためぼけが生じる
D
Ug  Lf
L
・画像のぼけはビームポートの大きさ，ビームポート-テストセクション，
テストセクション-コンバータの距離から簡易的に算出
L
Ls=4675mm
Lf=25mm
Dw
Ug
Neutron beam
Dh
D
Neutron
source
Dw=10mm
Dh =75mm
Object
Ugw=0.11mm(2pixel)
Ugh=0.8mm(14pixel)
Penumbra
Converter
Measurement Error
Dynamic range
・ダイナミックレンジは液相単相と気相単相の輝度値の差
・輝度値はステップ状に変化するため，ある幅をもった不確定な
部分が存在する
・測定分解能はダイナミックレンジの輝度数により決定
I.D=5 mm
100
Measurement error [%]
6000
5000
Gray level
4000
2100
3000
2000
1000
0
550
600
650
pixel
700
80
60
40
20
0 -3
10
10-2
10-1
Thickness of water layer [mm]
100
Measurement Error
100
Test section
Scattered neutrons
3
B4C Grid
100
3
3
Converter
Aluminum
8
6
Liquid thickness [pixel]
Measurement error[%]
10
Void fraction
計測誤差率 6% 以下
6
4
2
0
0.5
0.6
0.7
0.8
Void fraction
0.9
5
4
B4C
Liquid thickness
Experimental data(liquid)
Calculation line
+5%
-5%
3
2
1
0
-1
-4
Tube Wall
-2
0
2
Transverse position [mm]
4
5
Void fraction (5mm)
Thermal output : 1MW Exposure : 20s
G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
I.D.=5mm
L=400mm
G=600kg/m2s
断面方向分布
400
半径方向分布
1
1
0.8
0.8
0.6
0.6


E
0.4
0.4
アーベル変換
Electrode
0.2
0.2
300
400
Z=370 mm
200
0
0
1
2
Transverse potision [mm]
1
0.8
0.8
0.6
0.6
1
1.5
2
Radial distance [mm]
2.5
0.5
1
1.5
2
Radial distance [mm]
2.5
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
Z=210 mm
0
0
1
2
Transverse potision [mm]
1
1
Z=150 mm
100
0.8
0.8
0.6
0.6
Void fraction
0
0
１
q=1285 W/m2
0.2 0.4 0.6 0.8

1


z=0
0
-0.2
0.5

1

z mm
0
0
0.4
0.4
0.2
0.2
0
0
1
2
Transverse potision [mm]
0
0
0.5
1
1.5
2
Radial distance [mm]
2.5
Experimental result
(q:const.)
I.D.=5mm L=1000mm
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)

0.5
Drift flux model
Homogeneous model
0
q =168 kW/m
-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
2
0.15
xeq
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=145 deg.C
(0.43 MPa)

0.5
0
q =254 kW/m
0
0.05
0.1
0.15
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=165 deg.C
(0.7 MPa).
0.5
Drift flux model
Homogeneous model
Drift flux model
Homogeneous model
0
q =417 kW/m
2
0.2
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2
xeq
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
xeq
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=156 deg.C
(0.57 MPa)

0.5
Drift flux model
Homogeneous model
0
-0.1 -0.05
q = 337 kW/m2
0
0.05
xeq
0.1
0.15
0.2
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=172 deg.C
(0.8 MPa)
0.5

-0.1 -0.05
2
1

1
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
Drift flux model
Homogeneous model
0
q =497 kW/m2
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2
xeq
Experimental result
(q:const.)
I.D.=5mm L=400mm
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Lavy(1967)
Sekoguchi(1967)

0.5
0
q =447 kW/m
-0.1 -0.05
0
0.05
0.1
2
0.15
Homogeneous model
Drift flux model
0.2
xeq
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Lavy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=145 deg.C
(0.43 MPa)

0.5
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Lavy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=165 deg.C
(0.7 MPa).
0.5

1
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
Homogeneous model
0
q =654 kW/m
0
0.05
0.1
0.15
0
Drift flux model
q =1072 kW/m
2
0.2
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2
xeq
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
xeq
ps=0.3MPa G=600 kg/m2s Tin=80 deg.C
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Lavy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=156 deg.C
(0.57 MPa)

0.5
1
0.5
Homogeneous model
0
-0.1 -0.05
q = 870 kW/m2
0
0.05
xeq
0.1
0.15
0.2
Drift flux model
Drift flux model
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Lavy(1967)
Sekoguchi(1967)
Tout=172 deg.C
(0.8 MPa)

-0.1 -0.05
2
Homogeneous model
Homogeneous model
0
q =1285 kW/m2
-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2
xeq
Drift flux model
□ Quantitative evaluation of void fraction
of boiling two-phase flow in a tube using neutron radiography
1. Background and objective
2. Experimental apparatus
3. Image processing method
4. Experimental result
□Another experiment
1. downward flow
2. Oscillatory flow
□ Summary
Experimental result (q:const.) Thermal output : 1MW
上昇流
下降流
ps=0.3MPa G=300 kg/m2s Tin=80 deg.C
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)
0.5

上昇流
I.D.=10mm L=400mm
0
q =626 kW/m
-0.1 -0.05
0
0.05
0.1
2
0.15
Drift flux model
Homogeneous model
0.2
xeq
下降流
ps=0.3MPa G=300 kg/m2s Tin=80 deg.C
1
Bowring(1962)
Dix(1971)
Kroeger-Zuber(1968)
Lahey(1978)
Levy(1967)
Sekoguchi(1967)
0.5

G=300 kg/m2s
Exposure : 30s
Drift flux model
Homogeneous model
0
q =628 kW/m
-0.1 -0.05
0
0.05
xeq
Void fraction
0
１
0.1
0.15
2
0.2
Synchronous signal
テストセクション入口部にピストンとクランク
機構からなる流動脈動発生装置を設置する
ことで機械的に流動脈動を付加
Oscillatory flow
オシレータ-CCDカメラ同期方法
Oscillator
600
G [kg/m2s]
500
400
300
Pulse Counter
200
100
Standard signal
0
Delay Timer
CCDカメラ
Delay signal
任意時間ディレイ
0
1
2
t [s]
3
4
オシレータとカメラを同期させることで任意の位相における画像を
複数取得し，それらを積算することによって，擬似動画を取得
Experimental result
Thermal output : 5MW
Experimental conditions
Oscillatory flow
t=4 s, G/G0=1.0, q=124.8 kW/m2, xeq=0.009
0.03 s
Accumulation
number
34
Accumulated
exposure time
1.0 s
G
G [kg/m2s]
700
600
500
400
300
200
100
0
-100
0
p 30
20
p [kPa]
Exposure time
Void fraction
1
2
t [s]
3
10
4
0
１
Summary
中性子ラジオグラフィを用いて沸騰二相流のボイド率測定を行い以下の結論を得た．
・テストセクションを垂直方向にトラバースさせることにより，
沸騰二相流の軸方向ボイド率分布の取得が可能であることを示した．
・実験値と既存の相関式を比較した結果，低熱流束条件（加熱長さ1000mm）では
相関式と良い一致を示すものの，高熱流速条件（加熱長さ400mm）ではサブ
クール沸騰領域において相関式とは異なる挙動を示しており，サブクール沸騰
領域に関する有用なデータが得られた．
・中性子ラジオグラフィ技術を下降流や脈動流に適用したことを紹介した．

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