【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】09450098 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高速増殖炉 / スロッシング / 自励振動 / 流力弾性振動 / シェル振動 / 不安定性 / 連成問題 / 冷却系 / 時間遅れ系 / 炉壁 / 安全性

【研究成果の概要】

本研究では、わが国の次世代原子炉の候補に挙がっている高速増殖炉(FBR)炉容器の炉壁保護系に関連した「流体と多重円筒隔壁との連成自励振動」の安定性解析について研究を行い、防振設計指針を導くことに成功した。
対象となる振動系は、上流タンク、多重弾性円筒隔壁、下流タンクから構成される。上流タンクに供給された液体は、円筒隔壁を越流して下流タンクヘと流れ込む。その時に、越流特性、落下特性が複雑に絡んで下流タンクに自励的な液面揺動が発生する。
この研究では、これまで、著者らによって研究が行われてきた、矩形弾性隔壁、一重弾性円筒隔壁、に関する理論を確認した後、実際の振動系に近い二重弾性円筒隔壁を対象として理論的、実験的研究を行った。なお、理論的研究においては、隔壁の頂上部を流体が越流する時の流量と越流高さとの非線形な関係、堰に浴って落下する流体の速度の流量依存性、上流側タンクと下流側タンクの間の液位差に基づく静水圧による堰板のたわみと液位差の非線形な関係に着目し、これを理論モデルに取り込んだ。
その結果、実験においては、二重薄肉円筒堰の場合についても、内側の円筒と外側の円筒が逆位相で振動する特徴的なモードを持った自励振動が発生することを世界ではじめて確認することができた。
また、理論的研究では、円周方向に定在波スロッシングが発生する場合について、二重薄肉円筒堰体系を対象に、上流側・下流側の液落差と供給流量をパラメータとして安定性解析を行い、安定限界線図を作成することに始めて成功した。さらに、実験結果と比較することで、理論の妥当性を確認した。
この結果、本研究によって導かれた理論と計算手法を利用すれば、多重弾性円筒隔壁によって構成される高速増殖炉の炉壁保護構造系で発生する不安定振動の発生は予測可能で、振動が発生しない各種パラメータ設定条件を容易に導くことが可能となることが明らかになった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】14,100千円 (直接経費: 14,100千円)

【研究分野】機械力学・制御

【研究領域課題番号】07650275 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体関連振動 / スロッシング / 自励振動 / 非線形振動 / 安定性 / いつ流 / シェル振動 / 高速増殖炉 / シェル

【研究成果の概要】

本研究では、わが国の次世代の原子炉の候補に挙がっている高速増殖炉(FBR)炉容器の炉壁保護系の安全性に関連した「流体と堰との連成自励振動」の安定性解析について研究を行ってきた。
対象となる振動系は、上流タンク、弾性堰、下流タンクから構成される。上流タンクに供給された液体は、堰をいつ流して下流タンクへと流れ込む。その時に、越流特性、落下特性が複雑に絡んで下流タンクに自励的な液面揺動が発生する。今回の研究では、特に、堰の項上部を流体が越流する時の流量と越流高さとの非線形な関係、堰に沿って落下する流体の速度の流量依存性、上流側タンクと下流側タンクの間の液位差に基づく静水圧による堰板のたわみと液位差の非線形な関係を反映しつつ、これまでの理論が、高次のスロッシングモードを伴う自励振動にも適用可能かどうか、また、実際のプラントのような多重円筒弾性堰構造に対しても妥当な結果をもたらすかについて理論と実験の両面から研究を行った。
解析においては、
(a)矩形容器を対象として、スロッシングの高次モードが発生する場合について解析を行い、上流側と下流側の液落差と供給流量をパラメータとして安定限界線図を作成した。
(b)さらに、二重薄肉円筒堰を対象として、円周方向定在液スロッシングが発生する場合について、上流側と下流側の液落差と供給流量をパラメータとして安定限界線図を作成した。
実験においては、解析と対応する、矩形容器、円筒容器をそれぞれ作成し、実験を行った。その結果、スロッシングの高次モードが発生する場合についても、これまでの理論は有効であることが始めて明らかになった。また、二重薄肉円筒堰の場合についても、特徴的な自励振動が発生することが初めて実験的に確認され、興味深い実験結果が得られた。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1995 - 1996

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】原子力学

【研究領域課題番号】03452299 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体関連振動 / 自励振動 / スロッシング / U字管振動 / 高速増殖炉 / 上部プレナム / 自由液面 / 噴流

【研究成果の概要】

以下に示す4種の自励的液面振動現象を発見し、それぞれについて現象の特徴を明らかにするとともに、発生メカニズムの考察を行った。
1.容器内液面が自励的に揺動する現象を発見し、その性質を明らかにした。さらに振動へのエネルギー供給メカニズムについて考察し、容器内の循環流の中心がそれ自身の作り出している上昇流側に片寄っている場合にはこれとスロッシングとの重畳の非線形効果のためスロッシングを成長させるよいな圧力変動成分が現れることを見出した。観察された現象はこれでほぼ説明できるが、2次モードの成長などに関しては他のメカニズムも作用している可能性があり、さらに検討が必要である。
2.短い連通管で接続された2つの容器内の液面が交互に上下する現象を発見し、その性質を明らかにした。振動は上流側容器内のフローパターンの変化に起因するもので、連結管の動圧が上流側容器に流入する流れの動圧と上流側容器内静圧のどちらから変換されるかで生じる液位差分だけ変動することが分かった。
3.容器底面中央の流入口から垂直に液面を突き上げる平板状噴流の自励的首振り現象を発見し、その性質を明らかにした。噴流が盛り上げた部分の両側斜面は射流となっており、噴流は液面近くの圧力伝播を遮る。しかしながら噴流そのものは両側の圧力差に応答した首を振る。したがって振動数は同じ液深のU字管のそれに一致する。噴流の圧力波に対する大きな応答性が関与する振動であることが分かった。
4.もぐり堰を介して連結されている多液面系の自励振動現象を発見し、その性質を明らかにした。振動は液位と流量がある関係を満たすときだけに発生する。溢流のある副容器ともぐり堰を介して主容器の一部につながる部分の振動が主容器内のスロッジングにエネルギーを供給しているものと判断された。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】機械力学・制御工学

【研究領域課題番号】02650173 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

自励振動 / 流体関連振動 / 原子炉構成要素 / 高速増殖炉 / 越流堰 / スロッシング / 時間おくれ振動 / Time Delay

【研究成果の概要】

フランスの高速増殖炉ス-パフェニックス1号炉で観察された溢流によって発生する堰の自励振動について研究を行なった。まず実験室規模で、現象を再現することに努めた。具体的には、ステンレス製の薄肉同心多重円筒堰で仕切られた円筒形水槽とアルミ製の薄肉平板堰で仕切られた矩形水槽の2種類の実験装置を製作し、流量と落下高さをパラメ-タとして振動の発生条件を探るための実験を行なった。円筒形水槽ではスロッシングモ-ドの発生は確認できたが、流力弾性振動モ-ドの発生は確認できなかった。また、矩形水槽ではスロッシングモ-ドと流力弾性振動モ-ドの両方の発生を確認することができた。特に矩形水槽においては、同一流量のもとで、流力弾性振動モ-ドからスロッシングモ-ドに移行する場合が観察された。また、理論的な研究では、自由液面と円筒堰を連続体として扱う一段階前のモデルとして、自由液面の振動を耐震設計で用いられるハウスナ-モデルで置き換えて(すなわち、矩形水槽の中心に節が一つだけ現われる対称一次モ-ドを等価なバネ-マスモデルで置き換えて)、スロッシングモ-ドの解析を行なった。さらにより厳密な理論を構築するために、自由液面の運動と堰の変形を連続体として取り扱った理論を構築し解析を行なった。具体的には、タンク内部の液体の運動を記述するためにポテンシャル理論を適用し、溢流によって生じる流体力を運動量理論によって算出し、流量の連続の関係式と下流タンクのスロッシングの運動方程式を連立させて、不安定振動の発生条件式を導くことに成功した。その結果、自励振動の発生振動数は、下流タンクのスロッシングの1次固有振動数に等しいこと、ある範囲の落下高さの時に自励振動が発生すること、流量が多くなるほど自励振動が発生する落下高さの幅が狭くなることが明らかになった。結果は計算結果とよく一致し、理論の妥当性が検証された。

【研究種目】一般研究(C)

【研究期間】1990 - 1991

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)