原子力システム　研究開発事業　成果報告会資料集

超音波による3 次元流速ベクトル分布計測システムの開発

１．研究開発の背景とねらい

　液体金属の流動は、原子力発電所などの高エネルギーを発生させる装置冷媒、金属材料の製造過程や電磁流体力学発電（MHD）、地球流体力学の基礎的研究など、様々な分野に深い関連を持つ。実際の例として、ナトリウム冷却を採用している高速増殖炉では、短縮化された冷却材流路の熱流動評価が技術的課題のひとつとして挙げられている。このなかで、安全性の高い設計を実現するため、数値計算等による様々な熱流動解析が行われているが、近年では更に、実計測による検証データの拡充が求められている。しかしながら、高温、不透明、低粘性などといった特徴を持つ液体金属の流動計測には様々な問題が山積しており、計測手法の開発・改善が急務であると考える。以上の理由から、本事業では、超音波流速分布測定法(Ultrasonic Velocity Profiling，UVP) をもとに、液体金属流動場中の3 次元流速ベクトル分布の計測を可能とするシステム（Vector-UVP）の開発を実施している。将来的には、実計測により得られたデータを予測計算等に反映させることで、現状では計測が極めて難しい500℃を超える液体金属流動場の挙動予測に資するものであると考える。

２．研究開発成果

　平成20 年度は、試作計測装置本体で確認された各端子間でのクロストークノイズ等の問題改善の対策と同時に、過去に作成した信号送受信・波形取込制御プログラムをベースとして速度情報を算出するプログラムを作成した。ソフトの開発環境は引き続Visual C++、LabVIEW とし、プログラムは装置のOS（WinXP）搭載型コントローラに実装した。速度の算出手法は、UVP 計測において最も標準的なパルス・ドップラー法とした。本事業では、実際の液体金属流動計測試験（250℃以下）に開発した試作機を適用することを目標としているが、その前段階として、平成20 年度は常温の流動場計測への適用試験を実施した。
　常温流動場計測試験には、本事業で製作した縦置型循環ループを使用した。ループは全長約6 mの円管型流路（内径40mm）を持ち、試験流路、流量計、ポンプ、貯液タンク、外部冷却装置で構成される。試験流路は流路直線部分（全長300mm）とエルボ部に設置され、各位置で通常流路と同形状の円管型、幅80mm 高さ50mm の断面形状を持つ矩形断面型を選択可能である。試験での計測対象は水とし、温度は20℃一定とした。計測時のトレーサ粒子には、水に比重を合わせた中空ポリスチレン粒子、およびループタンクの自由界面で混入するガスバブル（室内空気）を用いた。計測時の外観写真、計測位置関係を図１に示す。バースト/エコー信号の送受信には4，8MHz の超音波トランスデューサ（TDX）を用い、送信側に対する受信側の角度を約20℃傾斜させたTDX ユニットを試験流路上流側から150mm の位置に設置し、計測試験を実施した。図２に矩形断面を持つ直線試験流路での計測結果を示す。計測時の流量は30L/min とした。このときの試験流路内平均流速は概算で約125mm/sec である。計測には基本周波数8MHz のTDX を用い、送信波数は4cycleとした。計測時のｚ軸方向空間分解能は0.74mm、時間分解能は約49msec である。図２左図の横軸はz 軸方向の距離、縦軸は各速度成分の実測値を表し、平均化に用いたデータの総数は1024 である。各方向共に、速度成分の計測に成功した。流れの方向であるx 方向の速度成分は、流路中央から壁面側に向けてなだらかに減少する傾向にあることが計測され、流速範囲も100-200mm/secであることから、妥当な結果が得られたものと考える。速度変動の状態についてみると、y 方向、z 方向共に、平均速度はほぼゼロとなっており、ほとんど流れが存在しない状況にあるにも関わらず、y 方向の変動がz 方向に比べて大きくなっている。これは、通常流路との接続部における段差の影響によるものと考えられるが、今回の計測ではy 方向が流れに対してほぼ直交するような配置にあるため、計測が難しく、計測時のエラーが生じやすいことも、ひとつの原因であると考える。このため、このような配管流れを計測する際には、送信側、受信側の配置について十分に検討する必要がある。図２右図は得られた速度成分から合成された３次元速度ベクトルの分布状況であり、本事業で開発したシステムにより、３次元速度ベクトル分布計測が実現されたことを示すものである。

図1　計測時の試験流路・TDX 設置状況の外観写真および計測位置関係の概略図

図2　矩形断面型直線流路試験結果：各方向速度成分計測結果（左）および3 次元平均速度ベクトル分布図（右）

３．今後の展望

　平成21 年度は計測対象となる高温試験装置の製作、プログラムの改善等を実施中であり、実際の高温液体金属流動場中の３次元速度ベクトル分布計測の実現を目指す。本事業では300℃以下を温度条件としているが、500℃近傍での使用に耐えうる新たな耐熱TDX の開発も別途実施しており、あらゆる高温液体金属流動場へ適用可能な計測システムの実現を目指す。
　また、将来的にはこの他に、液体金属の濡れ特性と音響特性の相関性の調査、トレーサとなるマイクロガスバブル供給システムの改善等も予定している。

４．参考文献

[1]Y.Takeda: Measurement of velocity profile of mercury flow by ultrasound Doppler shift method, Nucl. Tech. Vol 79, (1987)120-124.

[2]H.Kikura and Y.Takeda: Flow mapping using ultrasonic Doppler method, ASME Fluiid Eng. Division Summer Meetig FED-Vol.245 FEDSM98-5084 (1987).

[3]S.Eckert, et al.: Velocity measurements in metallic melts, Proc. FEDSM2005-77089 (2005).