JP2007171025A - 気液二相流模擬試験装置および気液二相流模擬試験方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 高温高圧液体を模擬したエタノールLが内部に貯留された容器3と、容器3内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体5と、高温高圧気体を模擬した六フッ化硫黄ガスを筒体5の内部に供給する気相供給手段15と、筒体5の側壁部から漏出された六フッ化硫黄ガスがエタノールL中を上昇して筒体5の上方に形成される二相流体のボイド率を得る第1ボイド計13と、第1ボイド計13から得られたボイド率に基づいて、筒体5の上方に位置するエタノールが上方へと移動する上昇量を算出する上昇量算出手段11とを備えていることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
これを克服するために、常温低圧において高温高圧条件の水および水蒸気と同等の物性値を有するアルコールおよび六フッ化硫黄ガスを用い、実験室レベルで試験を行い得る試験装置が知られている(特許文献1)。
すなわち、本発明にかかる気液二相流模擬試験装置は、高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得る第1ボイド率取得手段と、該第1ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出する上昇量算出手段と、を備えていることを特徴とする。
ここで、高温とは、100℃以上の温度を意味する。また、高圧とは、絶対圧で1MPa以上の圧力を意味する。また、低温とは、高温に対して低い温度を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる温度であり、例えば0〜100℃未満である。また、低圧とは、高圧に対して低い圧力を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる圧力であり、例えば絶対圧で1MPa未満である。
高温高圧流体と模擬流体との物性値が近似するとは、沸騰現象を支配する物性値が近似することを意味し、例えば、密度(kg/m3)、粘性係数(Pa・s)、表面張力(N/m)といった物性値が近似することを意味する。
本発明では、模擬気体供給手段によって筒体の内部に模擬気体が供給され、筒体の側壁部から模擬気体が漏出する。漏出した模擬気体は、筒体の外周側に位置する模擬液体中を上昇し、筒体の上方へと向かう。筒体の上方では、模擬気体の浮力及び圧力の減少によって、この位置における模擬液体には、上昇する駆動力が与えられる(いわゆるガスリフトポンプ現象ないしフラッシング現象)。この模擬液体の上昇量は、上昇量算出手段により、第1ボイド率取得手段によって得られる筒体の上方位置のボイド率に基づいて得られる。
なお、ボイド率に加えて、気泡径取得手段によってさらに気泡径を得るようにしても良い。これにより、模擬液体の上昇量をさらに正確に得ることができる。ボイド率、気泡径の計測結果から相変化を伴う場における気泡の成長を予想し、それに伴う液体の上昇流量を、二相流モデル(ドリフトフラックスモデルなど)を用いて求めることができる。
このように、低温低圧条件にて模擬液体の上昇量を得ることができるので、例えば、IMR(一体型モジュラー軽水炉)や、加圧水型軽水炉(PWR)に用いられる蒸気発生器における水の自然循環現象を模擬することができる。
なお、第1ボイド率取得手段及び気泡径取得手段としては、筒体の上方を直接測定するボイド計(例えば二針式光ファイバ型ボイドセンサ)を用いることが好ましいが、これに限らず、筒体の中間高さ位置に設けたボイド計によって上方位置のボイド率を推定する構成としても良い。
ここで、高温とは、100℃以上の温度を意味する。また、高圧とは、絶対圧で1MPa以上の圧力を意味する。また、低温とは、高温に対して低い温度を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる温度であり、例えば100℃未満である。また、低圧とは、高圧に対して低い圧力を意味し、実験室にて採用できる材料および寸法を有する設備が耐えうる圧力であり、例えば絶対圧で1MPa未満である。
高温高圧流体と模擬流体との物性値が近似するとは、沸騰現象を支配する物性値が近似することを意味し、例えば、密度(kg/m3)、粘性係数(Pa・s)、表面張力(N/m)といった物性値が近似することを意味する。
本発明では、模擬気体供給手段によって筒体の内部に模擬気体が供給され、筒体の側壁部から模擬気体が漏出する。漏出した模擬気体は、筒体の外周側に位置する模擬液体中を上昇し、筒体の上方へと向かう。筒体の上方では、模擬気体の浮力及び圧力の減少によって、この位置における模擬液体には、上昇する駆動力が与えられる(いわゆるガスリフトポンプ現象)。この模擬液体の上昇量は、筒体の上方位置のボイド率に基づいて得られる。
なお、ボイド率に加えて、気泡径取得手段によってさらに気泡径を得るようにしても良い。これにより、模擬液体の上昇量をさらに正確に得ることができる。ボイド率、気泡径の計測結果から相変化を伴う場における気泡の成長を予想し、それに伴う液体の上昇流量を、二相流モデル(ドリフトフラックスモデルなど)を用いて求めることができる。
このように、低温低圧条件にて模擬液体の上昇量を得ることができるので、例えば、IMR(一体型モジュラー軽水炉)や、加圧水型軽水炉(PWR)に用いられる蒸気発生器における水の自然循環現象を模擬することができる。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1を用いて説明する。
図1には、本実施形態にかかる気液二相流模擬試験装置(以下、単に「試験装置」という。)1が示されている。この試験装置1は、一体型モジュラー軽水炉(IMR)を模擬しており、高温高圧条件下における沸騰現象を低温低圧条件下にて模擬するものである。
容器3は、外部から観測可能なように、アクリルやガラス等の透明な材料で構成されている。容器3に貯留されるエタノールは、300℃程度の高温かつ6MPa程度の高圧の水に対して、30〜60℃程度の低温かつ0.5〜1MPa程度の低圧で同等の物性値(密度、粘性係数、表面張力)を有するものである。なお、エタノールに代えて、メタノール等の他のアルコールを用いることもできる。
容器3の下方には、液相供給手段(模擬液体供給手段)7が接続されている。この液相供給手段7から、容器3内にエタノールLが供給される。液相供給手段7は、液相流量制御弁9を備えており、この液相流量制御弁9によってその流量が制御される。液相流量制御弁9の開度は、上昇量算出手段11の出力結果に基づいて制御される。
上昇量算出手段11は、下方から上昇する気泡(六フッ化硫黄ガス)Bの浮力によってアルコールが上昇する量を算出する。上昇量算出手段11は、筒体5の上方の位置における二相流のボイド率を測定する第1ボイド計(第1ボイド率取得手段)13を備えている。第1ボイド計13としては、例えば、二針式光ファイバ型ボイドセンサが用いられる。この二針式光ファイバ型ボイドセンサは、ボイド率だけでなく気泡径を得ることができる。
また、図示しないが、上昇量算出手段11とは別に、第1ボイド計13から得られるボイド率に基づいて、筒体5の上方の位置におけるフラッシングを計算するフラッシング計算手段を備えている。
筒体5の内部には、筒体5の下部に接続された気相供給手段(模擬気体供給手段)15から、六フッ化硫黄ガス(模擬気体)が供給される。六フッ化硫黄ガスは、300℃程度の高温かつ6MPa程度の高圧の水蒸気に対して、30〜60℃程度の低温かつ1MPa程度の低圧で同等の物性値(密度、粘性係数、表面張力)を有するものである。
筒体5の内部に供給された六フッ化硫黄ガスは、多孔質とされた側壁から外方へと漏出し、気泡Bとなり上方へと上昇する。この六フッ化硫黄ガスの漏出量は、模擬する蒸気発生量に相当する。気泡Bの発生量は、筒体5の略中間位置に設けられた第2ボイド計(第2ボイド率取得手段)19によって計測される。第2ボイド計19としては、例えば、二針式光ファイバ型ボイドセンサが用いられる。この二針式光ファイバ型ボイドセンサは、ボイド率だけでなく気泡径を得ることができる。
核熱反応プログラム21は、第2ボイド計19から得られたボイド率から模擬する蒸気発生量を得て、この蒸気発生量から模擬する炉心燃料(筒体5)の反応度を演算する。次に、得られた反応度から、発熱量を演算し、この発熱量に相当する蒸気発生量を演算する。そして、この蒸気発生量に相当する流量の六フッ化硫黄ガスが流れるように、気相流量制御弁17に指令を送る。
図2のステップS1に示すように、気相供給手段15から六フッ化硫黄ガスを供給し、模擬炉心燃料である筒体5の側壁部から六フッ化硫黄ガスを漏出させる。
次に、ステップS2に示すように、第2ボイド計19によって筒体5の外周のボイド率を計測し、ボイド率に対応した核反応を計算し、反応度を算出する。そして、この反応度の発熱量に相当する六フッ化硫黄ガスの流量を算出し、気相流量制御弁17の弁開度を制御する。これにより、次時刻の気泡発生量が決定される。
次に、ステップS3に示すように、第1ボイド計13によって計測した筒体5の上方のボイド率に基づいて、上昇量算出手段11によりエタノール(液体)Lの上昇量を算出する。そして、得られた上昇量に対応する弁開度を液相流量制御弁9に指示し、液相供給手段7によって筒体5の下方からエタノールLを供給する。
上記ステップS1〜S3を繰り返し、各時刻における蒸気発生および水の自然循環を模擬する。
また、上記各ステップに並行して、ビデオカメラ23により画像を取得する。
模擬気体である六フッ化硫黄ガスの浮力によって上昇する模擬液体であるエタノールの上昇量を、第1ボイド計13によって得られる筒体5の上方位置のボイド率及に基づいて、上昇量算出手段11により得ることができる。また、上昇量に相当する流量を液相供給手段7によって筒体5の下方から供給することとした。したがって、高温高圧条件下での沸騰状態での液相の循環を模擬することができ、一体型モジュラー軽水炉(IMR)における水の自然循環を模擬することができる。なお、第1ボイド計13によって、ボイド率に加えて、さらに気泡径を得るようにしても良い。これにより、液相の上昇量をさらに正確に得ることができる。具体的には、ボイド率、気泡径の計測結果から相変化を伴う場における気泡の成長を予想し、それに伴う液体の上昇流量を、二相流モデル(ドリフトフラックスモデルなど)を用いて求める。
次に、本発明の第2実施形態について、図4を用いて説明する。
本実施形態は、加圧水型軽水炉(PWR)に用いられる蒸気発生器を模擬した試験装置30が示されている。
試験装置30は、容器32内に、逆U字状に曲成された伝熱管群を模擬した筒体34と、この筒体34を外方から覆うように配置された内筒36とを備えている。内筒36の上方には、模擬気水分離器38と、模擬湿分分離器40とが設けられている。
また、内筒36内の上下の差圧を計測するための差圧計44が設けられている。この差圧計44によって、伝熱管郡内の抵抗(圧力損失)が求められる。
筒体34の下方には、気相供給手段(模擬気体供給手段)46が設けられており、これにより六フッ化硫黄ガスが供給される。
容器32内には模擬液体であるエチルアルコールLが満たされており、符号L0は、この液相の液面を示している。
筒体34から漏出した六フッ化硫黄ガスは、気泡となり上昇し、その浮力によって筒体34の上方の模擬液体であるエチルアルコールを下方へと押し出す(矢印U参照)。このエチルアルコールの上昇量については、第1実施形態と同様に、図示しない上昇量算出手段によって得ることができる。
図示しない伝熱演算部では、筒体34の側方に位置するボイド計42からボイド率を得て、このボイド率から気泡発生量を算出し、この気泡発生量に相当する発熱量を演算する。そして、気相供給手段46により、発熱量に応じた次時刻の気相流量を供給する。
また、適宜設置されたボイド計42から得られたボイド率に基づいて筒体34の上方の液相の上昇量を算出することができるので、実際の流動状態を模擬することができる。
また、筒体34から漏出する気泡発生量から発熱量を演算し、この発熱量に基づいて次時刻の気相流量を制御することとしたので、実際の流動状態を模擬することができる。
3 容器
5 筒体
7 液相供給手段(模擬液体供給手段)
11 上昇量算出手段
13 第1ボイド計(第1ボイド率取得手段)
15 気相供給手段(模擬気体供給手段)
19 第2ボイド計(第2ボイド率取得手段)
30 試験装置(気液二相流体模擬試験装置)
32 容器
34 筒体
Claims (4)
- 高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、
該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、
高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、
前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得る第1ボイド率取得手段と、
該第1ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出する上昇量算出手段と、
を備えていることを特徴とする気液二相流模擬試験装置。 - 前記筒体の下方から、該筒体の外側に前記模擬液体を供給する模擬液体供給手段を備え、
前記模擬液体供給手段は、前記上昇量算出手段の算出結果に基づいて、前記模擬液体を供給することを特徴とする請求項1に記載の気液二相流模擬試験装置。 - 前記筒体の外周囲のボイド率を取得する第2ボイド率取得手段と、
該第2ボイド率取得手段から得られたボイド率に基づいて模擬伝熱量を演算し、該模擬伝熱量に基づいて次時刻に発生する模擬蒸気発生量に相当する模擬気体量を算出する伝熱演算部と、
該伝熱演算部によって算出された模擬気体量を前記模擬気体供給手段によって供給することを特徴とする請求項1又は2に記載の気液二相流模擬試験装置。 - 高温高圧液体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬液体が内部に貯留された容器と、
該容器内に配置され、多孔質体とされた側壁部を有する筒体と、
高温高圧気体に対して低温低圧にて同等の物性値を有する模擬気体を前記筒体の内部に供給する模擬気体供給手段と、を備え、
前記筒体の前記側壁部から漏出された前記模擬気体が前記模擬液体中を上昇して該筒体の上方に形成される二相流体のボイド率を得て、
該ボイド率に基づいて、前記筒体の上方に位置する前記模擬液体が上方へと移動する上昇量を算出することを特徴とする気液二相流模擬試験方法。
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