核融合炉用テストブランケットモジュール内部の冷却材流動解析#
目的#
本解析の目的は、核融合環境下で総合的な機能試験が実施されるテストブランケットモジュール（図１参照）の設計に際して、冷却材流動現象の実験結果と流体解析の結果を比較することで、材料腐食を考慮した設計手法を確立することです。
流体解析では、壁近傍のせん断応力や乱流エネルギー等、構造材の浸食腐食に対してフィードバックする物理量を取得することを目的とし、テストブランケットモジュール側壁内部の全領域において、約300万要素の大規模な流体シミュレーションを実施しています。
解析対象#
解析対象を図2に示します。複数の流路が組み合わさった複雑な形状となっていることが分かります。
解析条件#
表1 に支配方程式などの解析条件をまとめています。
| 支配方程式 | 非定常非圧縮Navier-Stokes方程式 |
| 乱流モデル | LES（標準スマゴリンスキーモデル） |
| 対流項離散化 | ２次精度中心差分＋10%の１次精度風上差分 |
| 時間積分法 | Euler陰解法 |
| 流体温度 | 300 (℃), 573.15(K) |
| 流体基準圧力 | 15 (MPa) |
| 流入量 | 1.5 (kg/s) |
各境界における境界条件を表2にまとめています。
| 流入境界条件 | 流出境界条件 | 壁面境界条件 |
|---|---|---|
| ・質量流量（指定） ・密度（指定） ・乱流ドライバー |
・静圧（指定） | ・No-slip ・断熱 |
解析規模と統計量取得時間#
解析規模と統計量取得時間を表3にまとめています。
| 格子形状 | ヘキサメッシュ |
| 格子数 | 約300万 |
| 時間刻み幅 | 1.0d-4 (s) |
| 並列数 | 128 |
| 計算速度 | 500 (step/h) |
| 5秒間の統計量計算に要する時間 | 100 (h) |
解析結果#
核融合環境下で試験を予定しているテストブランケットモジュール内の冷却材流動現象をLESにより求め、 その解析結果より壁せん断応力図を、図3に全体図を、図4に拡大図を示します。
壁近傍のせん断応力や乱流エネルギーを取得、乱流エネルギーの収支等、高次乱流統計量の取得も可能です。
Advance/FrontFlow/red の高度な流体解析技術により、核融合炉などの詳細な状況を確認することが困難な対象においても流れ場を予測することが可能です。
謝辞#
本研究は、独立行政法人 日本原子力研究開発機構（現：国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構） 核融合研究開発部門ブランケット工学研究グループ様よりご提供いただきましたAFFrの解析結果になります。 独立行政法人 日本原子力研究開発機構（現：国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構） 核融合研究開発部門ブランケット工学研究グループ関係者の皆さまに、心より感謝申し上げます 。
関連ページ#
- 流体解析ソフトウェア Advance/FrontFlow/red
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