Development of MPS method to predict gas-liquid-liquid three phase flow for the future visualization of MCCI
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23K19040
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0202:Condensed matter physics, plasma science, nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
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| Research Institution | Japan Atomic Energy Agency |
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Principal Investigator |
福田 貴斉 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (30985908)
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| Project Period (FY) |
2023-08-31 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
Fiscal Year 2024: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | MPS法 / 粒子法 / 界面張力モデル / 溶融炉心-コンクリート相互作用(MCCI) / 燃料デブリ取り出し / 溶融炉心-コンクリート相互作用（MCCI） |
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| Outline of Research at the Start |
原子炉過酷事故時の格納容器の健全性の評価や、福島第一原子力発電所の燃料デブリの性状推定等の観点から、溶融炉心・コンクリート相互作用（MCCI）の基礎的な現象理解が重要である。本研究では、実際のMCCIで想定される複雑な多相多成分流をシミュレーションにより可視化しその現象理解を深化するための第一歩として、数値流体力学の一種であるMPS法で気-液-液三相流を正確に解析するためのモデルを開発し、その妥当性を実験により確認する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
原子炉過酷事故時の格納容器健全性の評価や、福島第一原子力発電所の燃料デブリの性状推定の観点から、溶融炉心-コンクリート相互作用(MCCI)の基礎的な現象理解が重要である。
本研究では、MCCIのような多相多成分流を解析できる潜在性がある数値流体力学の一つMoving Particle Semi-implicit(MPS)法の多相多成分間界面張力モデルの改善および妥当性確認を目的とする。
当該年度にはまず、MPS法で3種類以上の非混和流体が交わる交点/交線(Multiple junction)上の界面張力をモデル化するための周辺モデルを整備した。Multiple junction上で界面張力を模擬する方法はすでに格子法の分野でSmithらにより確立している(K. Smith, et al., Interfaces and Free Boundaries, 4, pp. 263-276, 2002) が、MPS法は格子法と異なり粒子で流体を模擬するため、Smithの方法をMPS法に直接実装することはできない。本研究では、格子法のVolume of Fluid法で一般的に用いられるContinuum Surface Force (CSF)モデルをMPS法でも利用できるようにしたContoured CSF(CCSF)モデル (G. Duan et al., Journal of Computational Physics, 298 pp. 280-304,2015) を実装することで、Smithの方法をMPS法に適用することを可能にした。
加えて当該年度には、令和6年度に行う界面気泡通過実験のための実験装置を構成し、単相水中の気泡流をハイスピードカメラで記録する試実験を通して実験環境を整備した。この試実験の結果を用いて、本研究で参照数値解として利用する格子法に基づく手法の気液二相流解析の妥当性確認を実施した。当該研究の結果は査読付きProceedingを伴う国際会議NUTHOS-14(2024年8月カナダ)に発表される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当該年度は、当初計画どおりに、MPS法で3種類以上の非混和流体が交わる交点/交線上の界面張力をモデル化するための周辺モデル整備や令和6年度に行う界面気泡通過実験のための環境を構築することができたので、おおむね順調に進展していると判断する。しかし、大きな密度比を伴う気液間界面をMPS法で模擬するために適用しているContinuous Acceleration (CA)法がmultiplejunction付近では不具合を起こすことが判明したため、Smithの方法の実装に時間を要している。令和6年度はこの問題を解決しSmithの方法をMPS法に実装することから着手する。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和6年度には多相多成分間界面張力モデルの妥当性を確認するため、気泡が液-液界面を通過する実験を実施する。具体的には、着色水とシリコンオイルが成層化したタンクの下部から気泡を注入し、ハイスピードカメラにより観測することで 、気泡に同伴する液柱の形状等を取得する。さらに、CA法に伴う不具合を解決しSmithの方法に則った多相多成分間界面張力モデルを組み込んだMPS法により本実験を解析し、液柱の形状等を比較することでその妥当性を定量的に確認する。
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Report
(1 results)
Research Products
(1 results)
