可 視 化 情 報Vol.24 Suppl. No.2 (2004年9月) T字 形配 管合 流部 の流 動特性 に及 ぼす A233 乱 流 プ ロモ ー タ の 影 響 中 嶋 尚 広(愛 媛 大 院),佐 々 泰 副(愛 村 松 壽 晴(サ イ ク ル 機 構),越 十 河 基 介(愛 媛 大 工) 媛 大 院),檜 原 秀 樹(愛 智 順 治(愛 媛 大 工),岩 媛 大 工), 本 幸 治(愛 媛 大 工), Effects of Turbulence Promoter on Flow Characteristics in T-junction Piping Systems Naohiro NAKAJIMA, Taisuke SASA, Hideki HIBARA, Toshiharu MURAMATSU, Junji OCHI, Yukiharu IWAMOTO and Motosuke SOGO ABSTRACT Recently in nuclear plants, it has occurred thermal fatigue failure accidents because of thermal fluctuations that called Thermal Striping in T-junction where mixed a higher temperature sodium and a colder temperature sodium into each other. Then, we set up turbulence promoter in T-junction piping system, effects of turbulence promoter on flow characteristics have been investigated experimentally using flow visualization techniques (the dye injection method) and velocity measurement sections becomes stronger Keywords: 1.緒 by LDV. As a result, it is clarified and diffusion of momentum Flow Visualization, Vortex, Thermal 2.実 言 近 年,高 is promoted Striping, 速 炉 プ ラ ン トで は,フ ラン スの 高速増 殖 炉 that secondary in case with turbulent 験 装置 お よび方 法 実 験 装 置 の 概 略 お よび 座 標 系 をFig.1,2に 路 は 流 れ の 可 視 化 お よ びLDVに るT字 ク リル 製 で,主 形 配 管 合 流 部 に お い て,サ ー マ ル ス トラ イ ピ ン グ と 管 は40×40mm,長 呼 称 さ れ る流 体 温 度 ゆ ら ぎ に 起 因 した 熱 疲 労 破 損 事 故 が 管 路 を,枝 発 生 して い る(1)(2).こ 作 動 流 体 に は 常 温 の 水 を 用 い た. 々 は,T字 管 に は 管 径12mm,長 さ3000mmの さ600mmの は 流 動 条 件 に よ り大 き く,付 着 流,偏 向 噴 流,衝 突 噴 流 に 分 類 で き る こ とや,偏 向 噴 流 の 場 合 に は サ ー マ ル ス トラ イ ピ ン グ の 原 因 と成 り得 る 周 期 的 な 渦 放 出 現 象 が 起 こ る こ と を 見 出 し た(3). そ こ で 本 研 究 で は,熱 疲 労 破 損 の 原 因 と な る 流 体 温 度 ゆ 高振 幅 成 さび 形 状 突 噴 流 に よ り発 生)を 低 減 す る た め に,く の 乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 し,合 流 部 の 流 れ の 可 視 化 お よ び 断 面 内 の 流 速 測 定 を 行 い,乱 流 プ ロ モ ー タ の 設 置 に よ る 配 管 系 サ ー マ ル ス トラ イ ピ ン グ の 緩 和 効 果 に つ い て 評 価,検 Fig.1 討 した. 135 Experimental 示 す.供 試 管 よ る流 速 測 定 が 可 能 な ア 形 配 管 合 流 部 の 流 れ に 関 す る 研 究 を 開 始 し,合 流 部 の 流 れ ら ぎ の 低 周 波 数 成 分(渦 放 出 現 象 に よ り発 生)と promoter. Pipe Flow 漏 洩 に み られ る よ うに,高 温 と低 温 の ナ ト リ ウ ム が 混 合 す 分(衝 in pipe 2.1実 験 装 置 「フ ェ ニ ッ ク ス 」に お け る配 管 合 流 部 の 亀 裂 に よ るナ ト リ ウ ム の よ うな 状 況 か ら,我 streams apparatus 正 方形 直 円 管 を, Fig.2 2.2実 Coordinate system and out line of promoter 験 方 法お よび条 件 ま ず 流 れ 場 の 概 略 を 把 握 す る た め に,色 素 流 脈 法 に よ り 流 れ の 可 視 化 を 行 っ た.流 れ の 可 視 化 は 、枝 管 に 色 素 を 注 (a) With promoter (ƒÁ=4.00) 入 し,そ の 流 脈 を デ ジ タ ル ビデ オ カ メ ラ を 用 い て 撮 影 す る こ とに よ り行 っ た.そ の 後,断 面 内 の 流 速 測 定 をLDVを 用 い て 行 い,管 路 内 の 流 動 状 態 を 調 べ た.実 験 は,主 管 流 の レイ ノル ズ 数Re(=WmDm/ν)=1000∼5000,口 (=Dm/Db)=3.33,流 速 比β(Wm/Wb)=0.2∼5、 の 高 さの 比 γ(Dm/H)=4, 径比 α プ ロモー タ 5.33, 8の 下 で 行 っ た. (b) With promoter (ƒÁ=5.33) (c) promoter (ƒÁ=8.00) With (d) Without promoter (a)Withoutpromoter(b)Withpromoter Fig.3 Photograph Fig.4 of flow patterns 136 Classification of flow patterns 3.実 験結 果 お よび 考察 3.1流 れ の概 略 Re=1000に お け る代 表 的 な 流 動 パ タ ー ン の 可 視 化 の 写 真 をFig.3に 示 す.合 に よ らず3つ A),偏 流 部 の 流 れ は 乱 流 プ ロモ ー タ の 有 無 の 流 動 パ タ ー ン,す 向 噴 流(パ ター ンB),衝 な わ ち 付 着 流(パ タ ー ン 突 噴 流(パ タ ー ンC)に 分類 で き るが,プ ロモ ー タ を設 置 す る と さ らに 付 着 流 は 乱 流 プ ロ モ ー タ の 背 後 に お け る 逆 流 の 有 無 に よ り2パ (A1,A2)に,ま ター ン た,偏 向 噴 流 は 枝 管 と 反 対 側 の 乱 流 プ ロ モ ー タ 背 後 に お け る逆 流 の 有 無(B1 ,B2)と,流 れ が2本 に分 示 す.プ ロモ 岐 す る パ タ ー ン(B3)に 分 類 さ れ る. 流 動 パ タ ー ン と 流 動 条 件 の 関 係 をFig.4に (a) Without (b) With promoter (Re=1000, ƒÀ=0.71) ー タ を 設 置 した 場 合 に は ,偏 向 噴 流 か ら衝 突 噴 流 へ と遷 移 す る 流 速 比 βの 値 は プ ロ モ ー タ を 設 置 し な い 場 合 と比 べ て 減 少 す る.よ っ て,プ ロ モ ー タ の 設 置 に よ り合 流 部 の 流 れ が 衝 突 噴 流(流 動 パ タ ー ンC)を 示 す 領 域 は 狭 くな り,温. 度 ゆ ら ぎ の 高 振 幅 成 分 の 発 生 は あ る 程 度 回 避 で き る. 3.2断 面 内 の流 れ ま ず,軸 方 向 お よ び 水 平 方 向 の 時 間 平 均 速 度W,Uの 測 定 結 果 か ら,対 称 水 平 面 内 の 流 れ 場 の 様 子 をFig5に す.乱 示 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 しな い 場 合[Fig.5(a)]に は,枝 管 流 の 流 入 直 後 のZ/Dm=1に お い て,枝 管側 に低圧 な死 水 領 域 が み られ る.ま た,主 管 へ と流 入 した 枝 管 流 の 影 響 に よ り主 管 内 の 流 路 面 積 が 狭 ま る た め,枝 管 と反 対 側 で 流 れ は 加 速 す る.Zのm=2で は,管 路 中 央 部 に 低 速 流 体,そ Fig.5 Flow in horizontal plane (z-y plane: y=0) と流 下 して も,合 流 前 の 一 様 な 速 度 分 布 に は 回 復 し て お らず,依 然 と して ア ー チ 渦 の 影 響 が み られ る. (a) (b) Fig.6 Without With (Re=1000, ƒÀ=0.71) の 両 側 に 高 速 流 体 が み ら れ,ア ー チ 渦 が 確 認 で き る.そ の 後, Z/Dm=5∼7へ promoter promoter promoter (Re=1000, ƒÀ=0.71) (Re=1000, ƒÀ=0.71) Flow in cross section (x-y plane, Z/Dm=2,5) 137 参考文献 一方 ,乱 流 プ ロモ ー タ を 設 置 した 場 合[Fig.5(b)]に は,合 流 後 のZ/Dm=1に お い て,プ の 断 面 積 が よ り狭 ま る た め,流 そ の た め,渦 た,プ い 場 合 に 比 べ て,渦 は よ り 上 流 で 形 成 され る と と も に ,下 れ は 大 き く加 速 して い る, は よ り上 流 側 で 形 成 され,よ 向 に 移 送 され る.ま 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 した 場 合 に は,プ ロ モ ー タ を 設 置 しな ロモ ー タ の 設 置 に よ り流 路 流 方 向 へ の 移 送 速 度 も よ り高 速 と な る. り高 速 で 下 流 方 ロ モ ー タ 背 後 の 流 れ は 死 水 し, 壁 面 か ら 流 れ が は く離 し て い る 。 そ の 後,Z/Dm=2付 近で 流 れ は 管 壁 に 再 付 着 し,さ と流 ら に 下 流 のZ/Dm=5∼7へ 下 す る に つ れ て,速 度 分 布 は ほ ぼ 一 様 な 分 布 へ と移 行 す る .次 に,水 平 方 向 お よ び 垂 直 方 向 の 時 間 平 均 速 度U,V の 測 定 結 果 か ら,断 (a) Without promoter (Re=1000, ƒÀ=0.71) 面 内 の 二 次 流 れ の 速 度 ベ ク トル 図 を Fig.6に 示 す. 枝 管 か らの 流 れ は 主 管 内 に 流 入 す る と 主 管 流 と衝 突 し, 枝 管 軸 方 向 か ら 主 管 軸 方 向 へ とそ の 向 き を 大 き く変 え る. この 過 程 で,枝 管 か ら の 流 れ に は 遠 心 力 の 作 用 に よ り,ち (b) With ょ う ど 曲 が り管 の 流 れ と同 様 に,対 称 水 平 面 付 近 に お い て promoter Fig.7 (Re=1000, ƒÀ=0.71) Behavior of vortex 左 か ら右 へ,上 下 壁 付 近 に 右 か ら 左 へ と 向 か う二 次 流 れ が 誘 起 され る.さ ら に 主 管 の 枝 管 側 は 枝 管 か ら の 流 れ の 背 後 4.結 言 とな り,低 圧 な 死 水 領 域 と な り,こ の 低 圧 領 域 に 上 流 か ら 主 管 流 が 流 れ 込 む.こ の た め,乱 流 プ ロモ ー タ を設 置 しな 乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 したT字 形配 管 合流 領域 の流れ い 場 合[Fig.6(a)]に は,断 面 内 に 反 時 計 回 りに 回 転 す る 流 れ に つ い て,流 れ の 可 視 化 お よ び 流 速 測 定 を 行 っ た 結 果,以 が み られ る よ うに な る. 下 の よ うな 知 見 を 得 た. 一方 ,乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 した 場 合[Fig.6(b)]に つ い て (1)乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 す る と,偏 向噴 流 か ら衝突 噴 流 も,枝 管 流 が 通 過 す る 付 近 に 反 時 計 回 りに 回 転 す る 大 き な へ と遷 移 す る流 速 比 βの 値 は 乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 し 渦 が み られ る が,そ の 渦 よ り枝 管 側 に は,プ な い 場 合 と 比 べ て 減 少 し,合 流 部 の 流 れ が 衝 突 噴 流(流 ロモー タを設 置 し な い 場 合 に は 観 察 され な い,時 計 回 り の 小 さ な 渦 もみ 動 パ タ ー ンC)を られ る.ま た,二 次 流 れ は 乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 しな い 場 示 す 領 域 は 狭 く な る. (2)乱 流 プ ロモ ー タ を 設 置 す る と,渦 合 と比 べ て 強 い.よ っ て,こ の 強 い 二 次 流 れ に よ り運 動 量 され,よ の 拡 散 が 急 速 に 進 む た め,前 述 の よ うに 軸 方 向 の 流 れ は 下 (3)乱 流 プ ロモ ー タ を 設 置 す る と,よ 流 で ほ ぼ 一 様 な 分 布 と な る([Fig.5(b)]参 照). 成 され,運 は よ り上 流 側 で 形 成 り高 速 で 下 流 方 向 に 移 送 され る. り強 い 二 次 流 れ が 形 動 量 の 拡 散 が 急 速 に 進 む. 以 上 の こ と か ら,乱 流 プ ロモ ー タ を設 置 す る と,プ ロ モ ー タを設 置 しな い場合 と比 べて 形 成 され,運 り強 い 二 次 流 れ が 動 量 の 拡 散 が 急 速 に 進 む.従 モ ー タ の 設 置 は,サ 謝辞 ,渦 は よ り上 流 で 形 成 され, よ り高 速 で 下 流 に移 送 され る.ま た,よ っ て,乱 流 プ ロ 本 研 究 は,核 燃 料 サ イ ク ル 開 発 機 構 の 「先 行 基 礎 工 学 研 ー マ ル ス トラ イ ピ ン グ の 要 因 で あ る, 究 」 に よ り実 施 され た 。 こ こ に 謝 意 を 表 す る. 温 度 ゆ ら ぎ の 低 周 波 数 成 分 の緩 和 に 十 分 つ な が る も の と 考 え られ る, 3.3渦 につ い て 最 後 に 、 合 流 部 に 発 生 す る ア ー チ 渦 の 様 子 をFig.7に 示 (1)通 産 省 ・資 源 エ ネ ル ギ ー 庁 編 、 高 サ イ クル 熱 疲 労 に 関 す.乱 流 プ ロ モ ー タ を 設 置 した 場 合 に も,プ ロ モ ー タ を 設 す る 技 術 基 準 運 用 ガ イ ドラ イ ン(1999). 置 し な い 場 合 と 同 様 に 渦 放 出 現 象 が 確 認 で き る 。渦 生 成 の (2)Muramatsu, T.,Proc. The 15th nt. Conf. on Structural 仕 組 み も 基 本 的 に は 乱 流 プ ロモ ー タ を 設 置 し な い 場 合 と Mechanics in Reactor Technology (SMiRT-15), Vol.IV, 同 じ で あ る が,合 流 部 に 観 察 さ れ る渦 は,プ 217-224(1999). ロモ ー タ を 設 置 しな い 場 合 に み られ る よ うな きれ い な ア ー チ 渦 で は な く,ア ー チ の 一 部 が と ぎれ た 状 態 の 渦 で あ っ た.ま (3)檜 原 秀 樹 ・村 松 壽 晴 ・平 田 直 樹 ・須 藤 浩 三 、機 論 、70-693、 た,乱 B(2004),1192-1200. 138
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