高温熱機器の熱媒体温度変動と熱疲労の研究

• 研究課題/領域番号: 03650165
• 研究種目: 一般研究(C)
• 配分区分: 補助金
• 研究分野: 熱工学
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 石黒 亮二 北海道大学, 工学部, 教授 (20001167)
• 研究分担者: 榎戸 武揚 北海道大学, 工学部, 教授 (10001992) ; 杉山 憲一郎 北海道大学, 工学部, 助教授 (10002015)
• 研究期間 (年度): 1991 – 1992
• 研究課題ステータス: 完了 (1992年度)
• 配分額: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円); 1992年度: 200千円 (直接経費: 200千円); 1991年度: 1,800千円 (直接経費: 1,800千円)
• キーワード: 流体温度ゆらぎ / 壁面温度ゆらぎ / 熱応力 / 熱疲労 / プラントル数 / ペクレ数

研究概要

原子炉の安全性や長寿命化の観点から、構造材の熱疲労の問題が注目されている。この問題は、冷却材の温度変動に起因するが、それに加えて、構造材内部の温度応答をカップリングして検討されるべき問題である。
この研究計画では、検討の手始めとして、まず流体側の温度変動の特性に注目した。熱疲労の発生は、液体金属冷却の原子炉で特に過酷であるが、液体金属は取り扱いが難しいばかりか、流れの可視化もできないので、温度変動の相似性について検討し、空気、水など取り扱いの容易なものでの実験結果を流用できる可能性を探ることとした。この目的のために、基礎式の理論的考察を行い、幾何形状の相似な体系については、そのペクレ数を一致させることが、第一義的には無次元温度変動を一致させることになることを確かめた後、単一円筒をよぎる系と直列に並べた3本の円筒をよぎる系につき、数値計算によって、それぞれの代表的な位置での温度変動を求めて比較検討した。その結果、流体の温度変動は流れ場に関する各種の境界条件の影響を受けるため、測定位置によって相似性の成立条件にも差があることがわかった。また、それらの結果を実験による測定結果と比較した。
流体の温度変動は構造材内部の温度変化に影響を与え、それが熱疲労の問題と、結び付くのであるが、逆に構造材内部の熱伝導の状況は、温度に関する境界条件として流体の温度変動に影響を与えるものであるから、今後は流体側と固体内部との温度の連成場としての検討が必須である。