沸騰二相流の乱流構造と限界熱流束の一般的予測に関する研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14350108
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 片岡 勲 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (80093219)
• 研究分担者: 吉田 憲司 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50314365) ; 松本 忠義 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助手 (10294018) ; 大川 富雄 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (20314362)
• キーワード: 極大熱流束 / 乱流構造 / 気液二相流 / 強制対流沸騰 / 気泡拡散係数 / ボイド率 / 多次元流動 / 気液界面構造

研究概要

沸騰二相流の乱流構造を解明しそれを用いて限界熱流束の一般的な予測手法を確立するため、本年度は沸騰二相流の基礎的な挙動に関する研究と、実際の原子炉体系への応用(限界熱流束の予測)の両面にわたって下記の研究を行った。以下にその成果の概略を述べる。沸騰気泡の壁面での挙動の詳細な実験を行い、壁面に沿って流れる気泡と、離脱する気泡の判定条件を明らかにし、その挙動を気泡に働く力のモデル化により正確に予測する事に成功した。また、気泡の乱流場内での挙動の詳細な実験を行い、中心に集まる気泡と壁面に集まる気泡があることを明らかにし、それを力学モデルにより正確に予測するモデルを確立した。これを用いた気泡流のボイド率分布の一般的な予測手法の確立した。次に、急拡大管やスペーサー等の複雑な体系内での気泡流相分布乱流分布の多次元構造を実験的に解明し、そのメカニズムを明にするとともに多次元気泡流の乱流挙動の予測を行った。また、環状噴霧流の液膜界面構造と気相乱流構造に関する詳細な実験により気液界面波による乱流変調を解明し新たな乱流モデルを用いて、それを正確に予測する手法を確立した。また原子炉燃料集合体等の実用的な体系での、定圧から高圧に至る多次元二相流挙動の実験結果を基に、圧力に依存する気泡の拡散係数のモデル化によって、広い圧力範囲のボイド率分布を予測する手法を開発しそれを用いて燃料集合体のDNBによる限界熱流束の予測手法を確立した。また、より一般的な手法として、気泡拡散係数を流路内の沸騰二相流の乱流構造と関連づけて、ボイド率分布、乱流分布を予測し広範な流動条件(DNBドライアウトを含む)での限界熱流束を予測する手法も開発した。さらに原子炉過酷事故時に圧力容器下部浸水冷却に関連した、下面沸騰系の沸騰二相流挙動と限界熱流束についても実験と解析を行いそのメカニズムを解明した。

研究成果

• [文献書誌] M.Murase, Y.Yagi, A.Nakamura, Y.Fujii, I.Kataoka, T.Okawa: "Interfacial Drag in Two-Phase Flow Analysis for Secondary Side in Steam Generator"Proceedings of Third Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety. No.068. (2002)
• [文献書誌] S.Kodama, I.Kataoka: "Study on CHF Prediction Method Based on Two-Phase Turbulence Model"Proceedings of Third Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety. No.057. (2002)
• [文献書誌] K.Kondo 1, K.Yoshida, T.Matsumoto, T.Okawa, I.Kataoka: "An Phase Distribution of Bubbly Flow In Round Tube With Sudden Expansion"Proceedings of Third Korea-Japan Symposium on Nuclear Thermal Hydraulics and Safety, Gyeongju, Korea. No.070. (2002)
• [文献書誌] Okawa, T., Tanaka, T., Torimoto, K., Nishiura, M., Kataoka, I: "Experimental observation of single bubble rise characteristics in various situations"Proceedings of ASME Fluids Engineering Division Summer Meeting(CD-ROM). No.31149. 1-6 (2002)
• [文献書誌] Okawa, T., Kataoka, I., Naitoh, M.: "Prediction of critical heat flux in vertical annular flow"Proceedings of 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conference. OS11-4. (2002)
• [文献書誌] Nishiura, M., Torimoto, K., Okawa, T., Kataoka: "An experimental study on bubble behavior in a vertical round tube"Proceedings of 5th JSME-KSME Fluids Engineering Conference. OS10-4. (2002)