1991 Fiscal Year Annual Research Report
高熱負荷急速加熱時における金属壁の溶融・再凝固に関する動的挙動の研究
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01460121
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| Research Institution | Science University of Tokyo |
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Principal Investigator |
河村 洋 東京理科大学, 理工学部, 教授 (80204783)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
関 昌弘 日本原子力研究所, 核融合計画室, 室長
稲垣 詠一 東京理科大学, 理工学部, 助手 (70112894)
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| Keywords | プラズマディスラプション / 第一壁溶融・再凝固 / 金属表面変形 / 数値解析 / 表面張力流 / マランゴニ効果 / 並列演算効率 / トランスピュ-タ |
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| Research Abstract |
トカマク核融合炉のプラズマディスラプション時に、第一壁は溶融・凝固現象を伴い、表面変形を生ずる。そこで、急速に高熱負荷で加熱される金属壁について、実験及び数値解析によってその溶融・再凝固の挙動を研究することを目的とする。現在までの模擬実験、急速加熱実験により、再凝固時の表面形状は金属の種類やステンレス鋼の組成によって大きく異なるが、いずれも溶融層の移動が生じ凹凸のある表面となることを示した。本年度は、はじめに、金属溶融に着目し、短時間に高熱負荷を加えたときの溶融層厚さを熱伝導のみの場合と溶融層内の流動を考慮した場合に対して数値解析し、実験値と比較検討した。その結果、溶融現象において、溶融開始時間および吸収熱量が小さいときの溶融は、熱伝導を考慮するだけで予測可能であるが、吸収熱量が大きくなるにつれて、溶融層厚さは実験値より小さくなり、特に熱伝導率が小さいときには、その差が顕著であることを示した。次に、材質による再凝固層の表面形状の違いを検討するために、あらかじめ溶融した一様厚みの薄い溶融層に対して、表面張力流による自由表面形状の時間的変化を、二次元非定常問題として数値解析した。その結果、瞬時に高熱負荷を加えた場合、溶融層表面に大きな温度勾配がつくために、マランゴニ効果による表面張力流が生じ、溶融層厚さが薄い程、凹凸が顕著になる傾向が示され、模擬実験の結果が再現された。また、このときの表面形状の違いは、表面張力の温度勾配の正負に依存することを示した。表面張力の温度勾配が正の場合は、表面張力差により低温部から高温部へ流動が発生し、さらに局所的に温度勾配のつく結果となり、溶融層表面全体にわたって凹凸の起伏が顕著になるとの知見を得た。並列演算による計算の高速化については、熱伝導及び流れ場について、演算素子相互間の通信の最適化方法、並列演算効率の予測式等を得た。
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[Publications] 河村 洋: "トランスピュ-タを用いた熱・流体数値解析の並列演算" 日本機械学会論文集(B編). 57. 222-227 (1991)
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[Publications] 稲垣 詠一: "ポアソン方程式のトランスピュ-タを用いた並列演算における計算効率" 日本機械学会論文集(B編).
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[Publications] 河村 洋: "トランスピュ-タを用いた熱・流体数値解析の並列演算" 日本機械学会熱工学部門講演論文集. 73-74 (1990)
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[Publications] 稲垣 詠一: "ポアソン方程式のトランスピュ-タを用いた並列演算における計算効率" 日本機械学会第4回計算力学講演会論文集. 143-144 (1991)
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[Publications] 栗原 正人: "表面張力差による流動および表面形状に関する数値解析" 日本機械学会熱工学講演会論文集. 99-100 (1991)
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[Publications] 河村 洋: "トランスピュ-タによる並列演算と計算効率" 日本機械学会69期通常総会,先端技術フォ-ラム講演資料. (1992)
