Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

原子炉 / 熱流動 / 気液二相流 / 数値解析 / 粒子法 / ドライアウト / 沸騰遷移 / 液滴

沸騰水型軽水冷却炉では、炉心上部において環状噴霧流になり、そこでのドライアウトが熱的制約条件となる。そして、ドライアウトを精度良く解析できることが設計および安全のために重要である。これまで研究代表者らが開発してきたMPS (Moving Particle Semi-implicit)法は、格子を必要としない数値解析法であり、液滴の分裂や合体を容易に解析することができる。本研究では、MPS法を用いてドライアウトの直接シミュレーションを試みた。
ドライアウト現象は、液滴が燃料棒表面の液膜に吸収されるデポジション過程と、液膜から液滴がはがれるエントレインメント過程によって決定される。まず、デポジッション過程における単一液滴の挙動をMPS法で計算した。液滴の径が小さいあるいは衝突速度が遅い場合は、液滴は液膜に吸収される。一方、径が大きいあるいは衝突速度が速い場合は、液滴の衝突によって液膜が乱れ、別の液滴が新たに生成されることがわかった。沸騰水型軽水炉条件でもこの再生成(リエントレインメント)は無視できないことがわかった。
また、有限体積法と粒子法(MPS法)とを組み合わせた粒子-格子ハイブリッド法を開発し、これによって、効率的に気液二相流の解析をおこなうことができるようになった。さらに、この手法に低レイノルズ数型k-ε乱流モデルを組み込んだ。沸騰水型軽水炉の燃料棒液膜の流動のシミュレーションと、液膜表面の不安定性の成長の計算をおこなった。
本研究により、沸騰水型軽水炉条件におけるドライアウト現象の基礎過程を解析できる手法が開発されるとともに、リエントレインメントに関する新たな知見を得ることができた。

気液二相流 / 液滴 / 表面張力 / 数値解析 / 粒子法 / 臨海ウエーバー数 / 界面面積 / MPS法 / 気液三相流 / ドライアウト / 沸騰遷移 / 液滴の分裂 / 液滴流 / 臨界ウエーバー数

気液二相流の解析では、従来より二流体モデルを用いられてきた。気相と液相の流れの支配方程式を連立させ、相間の相互作用については相関式を用いる。こうした相関式は実験的に得られるものであり、従来解析することが困難であった。特に、気液界面面積は相間の相互作用を決める基本的なパラメータであり重要である。粒子法と呼ばれる新しい数値解析手法では、格子を必要としないため、界面の大変形や流体の分裂・合体を解析することができる。そこで、液滴流れにおける界面面積を決定する臨界ウエーバー数の数値解析を粒子法によって試みた。
ここで用いる粒子法は、MPS(Moving Particle Semi-implicit)法であり、研究代表者らが独自に開発した数値解析法である。表面張力の計算モデルを新たに開発し、これを加えることにより、単一液滴の運動を解析できるようにした。正方形状の液滴の表面張力による振動を計算し、振動周期が解析解と一致することを確認した。次に、液滴周りの流れを計算し、液滴表面の圧力分布が従来の研究と一致することを確認した。液滴の分裂に対する駆動力は液滴表面の圧力分布であり、抑制力は表面張力であり、どちらも検証することができた。こうした計算を精度良くおこなうためには、液滴を100個以上の粒子で表す必要があることがわかった。
液滴の分裂はウエーバー数と呼ばれる無次元数に支配されることが知られている。ウエーバー数は、上記の駆動力と抑制力の比に相当する。臨界ウエーバー数は液滴の分裂の限界を与える無次元数であり、これよりウエーバー数が大きい場合には液滴の分裂が生じ、小さい場合には液滴の分裂が起きない。MPS法でウエーバー数を様々に変えて計算したところ、臨界ウエーバー数=13を得た。これは従来の実験とも一致している。従って、MPS法によって臨界ウエーバー数の直接解析に成功することができた。

【研究分担者】
越塚誠一	東京大学	大学院・工学系研究科	教授	(Kakenデータベース)
石渡祐樹	東京大学	大学院・工学系研究科	助手	(Kakenデータベース)