日本原子力学会2011年秋の大会 1

地震加速度付加時の気液二相流の詳細予測技術高度化に関する研究

(3)構造物加振実験装置の製作と

気泡挙動に関する予備実験結果

○水野皓介（筑波大院）金子暁子（筑波大学）

文字秀明（筑波大学）

阿部豊（筑波大学）

吉田啓之（原子力機構）

高瀬和之（原子力機構）

機器が地震動から受ける影響についての研究

従来

配管や炉心容器などの耐震強度の研究

固体に対しての振動応答解析

・炉心内部の冷却材が地震動から受ける影響についての知見は不十分

・振動付加に伴う気液二相流の挙動変動による出力変動への影響

加振による構造物内の流体に及ぼす影響の解明の必要性

過去の研究

・矩形流路において加熱面に対して振動を付加した際の沸騰伝熱特性を示し，加熱面への振動の付加により限界熱流束が上昇することを示唆

大竹ら (2010)

・地震加速度を付加した場合の原子炉の応答解析を行い，地震動がボイド率の変動および出力応答に大きな影響を及ぼすことを予測

三沢ら(2010)

研究目的

液相

壁面

気相・構造物加振による壁面振動が気相および液相の挙動に与える影響について解明

・地震加速度付加時における二相流挙動の解析手法の開発・整備するための基礎的な実験データベースを構築

・加振台を用いて流路に振動を付加し二相流の可視化実験を行うための装置の設計・製作

・実験より加振時の二相流挙動を観測し，気液各相が受ける影響について調べるための予備実験を行う

加振条件

1940年アメリカ，エルセントロ

地方で発生した地震データ

観測波形 加速度応答スペクトル

構造物

観測される加速度振幅の大きさ

構造物における振動応答

400

300

200

100

0

-100

-200

-300

Acc

eler

atio

n (c

m/s

2 )

403020100time [sec]

0.035

0.030

0.025

0.020

0.015

0.010

0.005

0.000

Pow

er sp

ectru

m d

ensi

ty (-

)

14121086420frequency [Hz]

設計した加振台の性能曲線図

0.1

1

10

Acc

eler

atio

n, a

[G]

0.1 1 10 100Frequency f [Hz]

：付加する範囲2

加振台

実際の地震動に基づく振動を再現可能な装置

①加速度振幅・・・ 構造物の振動応答を考慮し，一般に観測される加速度よりも大きな加速度の範囲を設定．

②振動数・・・ 一般的に高い出力割合を示す0.1-10 [Hz]を設定．

振動方向：水平1軸

最大付加加速度：2 G (=2×9.8 m/s2)振動数:0.1-100 Hz付加可能な振動波形：

・地震動模擬波・正弦波

N2bomb

Test section

High speedcamera

TankPump

Flow meter Light

Flow meter

Air-water mixer

Pressuregauge

Oscillating tableF

P2 P3

構造物加振実験装置概要図

F

N2

P1

実験装置詳細

①ノズルによる注入

気液混合部

14mm

撮影速度：500fps再生速度：10fps

Air

Drain

Porous metal

②焼結金属による注入

Length:400mm，Diameter:14mm

テスト部

大気解放直線流路出口部

P2 P3

座標系

0X

0

y (mm)

-7

7x (mm)

x

y

0

絶対座標

相対座標

振動

実験条件

各相の

流量条件

付加する振動条件

振動波形

加速度振幅a(G) ※1

G=9.8m/s2

振動数

f (Hz) 流路に対する振動方向

正弦波

0.10.41.0

1.05.010

平行

Ql : 液相容積流量 (m3/s)

A: 流路断面積 (m2)

Qg : 気相容積流量 (m3/s)

， AQ

j gg =

AQj l

l =

gl

g

jjj+

=β

，

3.5×10-2

4.4×10-26.7×10-2体積流量比

β (-)

3.6×10-2

4.5×10-23.6×10-2気相見かけ

流速 jg(m/s)

1.000.50液相見かけ流速 jl(m/s)

0.1

1

Acc

eler

atio

n, a

[G]

0.1 1 10Frequency f [Hz]

2

液単相における速度場計測Mirror Laser

14mm

a=1.0G,f=5Hz a=1.0G,f=10Hz 1.5m/s

0.4m/sjl=1.0m/sにおける液単相速度場ベクトル算出結果

0

1.0

t(s)

0.8

0.6

0.4

0.214mm

PIV計測

y

0

液相流量の計測値と評価値(jl=1.0m/s，a=1.0G, f=5Hz)

u(r)D

y

( )∫= rdrruQ π2

液相流量Qの算出

PIVによるテスト部内速度

分布からの評価結果

12

10

8

6

4

2

0

Liqu

id fl

ow ra

te [l

/min

]

1.00.80.60.40.20.0t [sec]

混合部上流の液相流量計の計測結果

0x rdr

12

10

8

6

4

2

0

Liqu

id fl

ow ra

te [l

/min

]

1.00.80.60.40.20.0t [sec]

-7

0

7

y (m

m)

1.41.21.00.80.60.40.20.0ul [m/s]

No oscillation (average) t=0.586(s) t=0.636(s) t=0.686(s) t=0.736(s)

y

0

ul

①②

③ ④

XX

vtP P P① ② ③ ④

0 00 XX

vtP

0

① ②③ ④

1.50

1.00

0.50

0.00

-0.50

Vel

ocity

ul ,

vt

(m/s

)

1.00.80.60.40.20.0Time t [s]

8

6

4

2

0In

let w

ater

pre

ssur

e P l1

(kPa

)

Average liquid velocity ul Table velocity vt Inlet water pressure Pl1

液相流速算出結果 (a=1.0G, f=5Hz)

vt

Pl1

ul

絶対座標系における液相流速

1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

0.00

-0.25

-0.50

Vel

ocity

ul+

v t , v t

(m/s

)

1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0Time t [s]

8

6

4

2

0

Inle

t wat

er p

ress

ure

P l1 (k

Pa)

Absolute liquid velocity ul + vt Inlet water pressure Pl1 Table velocity vt

vt

Pl1

ul+ vt

気泡形状についての変動（jl=0.5m/s，jg=3.6×10-2m/s）

X0

X0

X0

0 X

X0

t=0

t=T/8s

t=T/4ms

X0

t=3T/8ms

X0

t=T/2s

t=5T/8s

X0

t=3T/8s

X0

t=7T/8s

a=1.0G，f=10Hz

5mm

Average bubble velocity ub

Inlet water pressure Pl1

Table velocity vt

1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

0.00

-0.25

-0.50

Vel

ocity

ub ,

vt

(m/s

)

1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0Time t [s]

8

6

4

2

0

Inle

t wat

er p

ress

ure

P l1 (k

Pa)

水平方向気泡移動速度算出結果

0

y (mm)

-7

7x (mm)

・水平方向移動速度

( ) ( )t

txttxub Δ−Δ+

=

時刻t における気泡の水平方向位置 (mm)

x(t) : 撮影における時間分解能 (s)

∆t :

jl=1.0m/s，jg=4.5×10-2m/s，a=1.0G，f=5Hzにおけるubの算出結果

X0

vt

vt

Pl1

ub

1.50

1.25

1.00

0.75

0.50

0.25

0.00

-0.25

-0.50

Vel

ocity

ub+

vt ,

v t (m

/s)

1.00.90.80.70.60.50.40.30.20.10.0Time t [s]

8

6

4

2

0

Inle

t wat

er p

ress

ure

P l1 (k

Pa)

Absolute bubble velocity ub + vt Inlet water pressure Pl1 Table velocity vt

絶対座標系における気泡移動速度

vt

Pl1

ub+ vt

jl=1.0m/s，jg=4.5×10-2m/s，a=1.0G,f=5Hz

X

vtP

1.50

1.00

0.50

0.00

-0.50Vel

ocity

ub

, ul a

nd v

t (m

/s)

1.00.80.60.40.20.0Time t [s]

8

6

4

2

0

Inlet water pressure P

l1 (kPa) Bubble velocity

ub (m/s)

Average Liquid velocity ul (m/s)

Table velocity vt (m/s)

Inlet water pressure Pl1(kPa)

気泡移動速度と液相流速の時間変動の比較

結言

・気液二相流が構造物の振動から受ける影響を調べるため実際の地震動および構造物の振動応答を考慮して，付加する振動条件を設定し，条件に適した振動台および流動可視化装置を設計・製作した．

・振動付加時における気泡流および液単相における可視化観測を行い，気泡・液相挙動について計測を行った．