中性子ラジオグラフィを用いた 円管内沸騰二相流のボイド率定量評価

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1 中性子ラジオグラフィを用いた 円管内沸騰二相流のボイド率定量評価
Seminar on neutron 2011 / 01 / (Thu.-Fri.) 中性子ラジオグラフィを用いた 円管内沸騰二相流のボイド率定量評価 Quantitative evaluation of void fraction of boiling two-phase flow in a tube using neutron radiography Thermal engineering Lab.，department of Science and Mechanical engineering，Kansai university 谷口 斉 （関大院）

2 Contents 　　 　1. Background and objective 　 　　2. Experimental apparatus 　　　3. Image processing method 　（Consideration of measurement error） 　　 　4. Experimental result 　　　 5. Summary

3 Boiling two-phase flow J.G.Collier，J.R.Thome （1972）
Background Drop flow Annular flow Bubbly flow Slug flow Annular flow Isothermal two-phase flow Churn flow Slug flow 流動様式の予測相関式 限界熱流束の予測（液膜流モデル） ・・・断熱二相流のデータを基本とする． Bubbly flow 壁面沸騰，環状流液膜の蒸発は再現不能． Boiling two-phase flow J.G.Collier，J.R.Thome （1972）

4 中性子ラジオグラフィを用いて 沸騰二相流のボイド率定量評価，液膜測定に関する検討を行う． Objective
Neutron radiography ・Scatter ・Absorption ・Transmission Radiation Source I0 I Detector ・測定対象に非接触 ・金属は透過し，水に対して強く減衰 ⇒金属管内を流れる水の沸騰二相流の測定に適している． 原理説明，あとの散乱やボケの話もここで出しておけば分かりやすくなるはず 中性子ラジオグラフィを用いて 沸騰二相流のボイド率定量評価，液膜測定に関する検討を行う． Objective

5 Experimental apparatus（flow loop and test section）
Electrode Experimental condition ps 0.3 MPa G 300，500，700 kg/m2s xeq(outlet) （Liquid）～0.20 Working fluid Water Electrode

6 Experimental apparatus（imaging system）
Neutron source Beam port Nuclear reactor KUR（B4 port） Thermal output 1 MW Guide tube length 11.7 m Guide tube cross section 10（D）×75（D’） mm Typical spectrum 1.2 A Neutron flux 1×107 n/cm2s o Flame for test loop Pit （Depth=1.0 m） Camera box

7 Experimental apparatus（imaging system）
Camera Test section CCD camera “PIXIS 1024B” （Princeton Instruments） Imaging array 1024×1024 pixels 7.0 mm Thermocouple Lens “APO MACRO 180mm F3.5” （SIGMA corporation） Teleconverter “APO TELECONVERTER 2x EX DG” （SIGMA corporation） Reproduction ratio 2x that of master lens 31.7 mm （1024 pixel） Converter “ZNSL-L100-AL1016” （CHICHIBU FUJI co., ltd.） 31.7 mm （1024 pixel） Spatial resolution 0.030 mm Exposure 30 s

8 Image processing method
S：輝度値，G：ゲイン，O：オフセット w L G ボイド率 a 液相透過厚さ と 気相透過厚さの比

9 Measurement error （1）Scattered neutron Test section Grid Converter
Reactor 1MW Exposure 30 s （1）Scattered neutron Direct shadow method Grid Grid Test section Converter Nondestructive Testing and Evaluation Vol.16, pp N. Takenaka ; H. Asano ; T. Fujii ; M. Matsubayashi

10 Measurement error （1）Scattered neutron Reactor 1MW Exposure 30 s
Non compensated Direct shadow method Grid Without teleconverter Compensated Without teleconverter Nondestructive Testing and Evaluation Vol.16, pp N. Takenaka ; H. Asano ; T. Fujii ; M. Matsubayashi

11 Without teleconverter
Measurement error Reactor 1MW （2）Gray scale ・Dynamic range ⇒ 透過方向の分解能 ・輝度は整数しか取れない 　⇒測定誤差となる． － ＝ SG SL Dynamic range Without teleconverter

12 （3）Geometric unsharpness（Vertical）
Measurement error （3）Geometric unsharpness（Vertical） Vertical D L=4675mm L’=25mm Ig’ D’ D’ Beam port Test section Beam port Converter 縦方向　Ig’ = mm （D’=75 mm，L/D’=62.3）

13 （3）Geometric unsharpness（Horizontal）
Measurement error Reactor 1MW Exposure 30 s （3）Geometric unsharpness（Horizontal） Without slit（D=10 mm） With Slit（D=2.5 mm） L=4675mm L’=25mm LiF L=4675mm L’=25mm Ig Ig’ D D Test section Test section Beam port Beam port Converter Converter Ig = mm Ig = mm ・L/Dを上げることでボケを低減し 平行度を上げることで（照射時間 は長くなるが）Dynamic rangeを上げる． Without slit With slit

14 （3）Geometric unsharpness（Horizontal）
Measurement error Reactor 1MW Exposure 30 s （3）Geometric unsharpness（Horizontal） Without slit（D=10 mm） With Slit（D=2.5 mm） L=4675mm L’=25mm L=4675mm L’=25mm Ig Ig’ D D Test section Test section Beam port Beam port Converter Converter Ig = mm Ig’ = mm With teleconverter Without slit ： 500 With slit ： 120 Without slit With slit

15 □ NRG using high-speed camera in KUR □ Development of void fraction
Experimental result Discussion point □ NRG using high-speed camera in KUR □ Development of void fraction □ Point of net vapor generation（PNVG） □ Application to measurement of liquid film thickness

16 Isothermal two-phase flow（Slug flow） （Reactor 5 MW） Shading correction
Experimental result Isothermal two-phase flow（Slug flow） （Reactor 5 MW） Shading correction jG = 0.40 m/s jL = 0.23 m/s （Playback speed：1/5） 16

17 Boiling two-phase flow （Static image）
Experimental result Reactor 1MW Exposure 30 s Boiling two-phase flow （Static image） Void fraction 0.00 1.00 ps = 0.3 MPa G = 300 kg/m2s -0.110 -0.023 -0.009 -0.002 0.004 0.050 0.165 xeq (middle)

18 Experimental result Time averaged void fraction（cross sectional average） （Effect of vertical position） = Constant PNVG PNVG PNVG 下流側に比べて 沸騰開始点のxeqが高い． ⇒気泡の発達や合体に伴う ボイド率の上昇が少ない．

19 Experimental result Time averaged void fraction（cross sectional average） （Estimation of PNVG） = Constant ○低熱流束条件 ・PNVGはSekoguchiによる推算式が 近い値． ・PNVG以降のボイド率の発達 ⇒加熱部出口付近については Drift flux modelがよく一致． ○高熱流束条件 ・PNVG以降のボイド率の発達 ⇒どの相関式も定量的には不一致．

20 Time averaged liquid phase thickness （Center of the tube）
Experimental result Time averaged liquid phase thickness （Center of the tube） 管中心のボイド率 ⇒液相透過厚さ 環状流中の液相 ⇒液膜と液滴 液膜厚さ測定への応用

21 Summary 中性子ラジオグラフィを用いて沸騰二相流のボイド率測定を行い以下の結論を得た．
・熱出力5MW運転時において高速度カメラを用いて流れを撮影したところ，500fps 程度の撮影速度以上で定性的な評価を見込める動画が得られることを確認した． ・同じ熱流束条件において軸方向にボイド率分布を測定することで，PNVGの推定を 行ったところ，PNVG自体は既存の相関式と近い値を示すが，PNVG以降のボイド率 の発達の仕方について，従来の相関式と異なる特性を示した． ・沸騰流中の液相透過厚さを計測することで，液膜あるいは液滴の計測に応用が 可能であると考えられる．