(57)【要約】【課題】閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できるようにする。【解決手段】水平に配置された主配管１とこの主配管１への接続面８から閉塞した端部９まで延びる分岐配管４とを含む配管体系の熱成層界面２６の位置を評価する配管熱成層評価システムに、配管体系の形状、主配管１の流入境界条件および流出境界条件を含む流動条件が入力される流動条件入力部と、流入境界条件および流出境界条件に基づいて主配管１での流体の流れを数値解析して接続面８でのせん断力を求める主配管解析モジュールと、分岐配管４の接続面８の近傍に生じるセル状渦５が分岐配管４に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦６が分岐配管４に添って延びる旋回渦長さをせん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析モジュールと、を備える。【選択図】図１
2009031842.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水平に配置されて内部を流体が流れる主配管とこの主配管への接続面から閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面の位置を評価する配管熱成層評価システムにおいて、
前記配管体系の形状、前記主配管の前記接続面に対する上流側での前記流体の流入境界条件、および、前記主配管の前記接続面に対する下流側での前記流体の流出境界条件を含む流動条件が入力される流動条件入力部と、
前記流入境界条件および前記流出境界条件に基づいて前記主配管での流体の流れを数値解析して前記接続面でのせん断力を求める主配管解析モジュールと、
前記分岐配管の前記接続面の近傍に生じるセル状渦が前記分岐配管に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦が前記分岐配管に添って延びる旋回渦長さを前記せん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析モジュールと、
を備えることを特徴とする配管熱成層評価システム。
【請求項２】
前記主配管解析モジュールによって求められた前記せん断力を前記流動条件に対応させて記憶する主配管データベースと、
前記流動条件に対応する前記せん断力が前記主配管データベースに記憶されている場合にはその数値解析結果を前記主配管データベースから抽出し、前記流動条件に対応する前記せん断力が前記主配管データベースに記憶されていない場合には前記主配管解析モジュールに数値解析を行わせる主配管データ検索部と、
前記セル状渦長さと前記旋回渦長さを足し合わせて前記熱成層界面位置を求める熱成層界面位置評価部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項３】
前記主配管は前記接続面に対して上流側にエルボが形成されていて、前記主配管データベースは、前記せん断力を前記主配管の内部の前記流体の流速およびレイノルズ数ならびに前記エルボと前記接続面との距離に対応させて前記せん断力を記憶するものであることを特徴とする請求項２に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項４】
前記セル状渦の最大流速ならびにこの最大流速を生じる位置の分岐配管断面中心線からの変動幅および前記分岐配管の口径に対応させて前記界面での旋回渦流速の旋回成分と軸方向成分を記憶する分岐配管データベースと、
前記最大流速並びに前記変動幅および前記口径に対応する前記旋回渦の流速の旋回成分および軸方向成分が前記分岐配管データベースに記憶されている場合にはその数値解析結果を前記分岐配管データベースから抽出し、前記最大流速並びに前記変動幅および前記口径に対応する前記旋回渦流速の旋回成分と軸方向成分が前記分岐配管データベースに記憶されていない場合には前記分岐配管解析モジュールに数値解析を行わせる分岐配管データ検索部と、
を有することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項５】
前記分岐配管解析モジュールは、前記旋回渦の流速の旋回成分および軸方向成分並びに前記分岐配管の口径に基づいて前記旋回渦の減衰距離を計算することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項６】
前記主配管解析モジュールおよび前記分岐配管解析モジュールは、前記接続面での流速に関する滑り出し条件を解析境界条件として用いることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項７】
前記分岐配管解析モジュールは、前記セル状渦長さならびに前記セル状渦との界面での前記旋回渦の旋回流速および軸流速とを前記せん断力に基づいて求めるセル状渦解析モジュールと、前記旋回流速および前記軸流速とに基づいて前記旋回渦長さを求める旋回渦解析モジュールと、を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項８】
前記セル状渦解析モジュールおよび前記旋回渦解析モジュールは、前記界面での圧力境界条件を解析境界条件として用いることを特徴とする請求項７に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項９】
前記主配管解析モジュールおよび前記セル状渦解析モジュールは数値解法として乱流モデルを適用し、前記旋回渦解析モジュールは数値解法として層流モデルを適用することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項１０】
前記セル状渦解析モジュールは、前記接続面での前記分岐配管の口径および楕円率並びに前記せん断力に基づいて前記セル状渦長さと前記セル状渦の最大流速を計算することを特徴とする請求項７または請求項８に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項１１】
前記分岐配管解析モジュールは、温度場の解析を行うことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の配管熱成層評価システム。
【請求項１２】
水平に配置されて内部を流体が流れる主配管とこの主配管への接続面から閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面位置を評価する配管熱成層評価プログラムにおいて、計算機に、
前記配管体系の形状、前記主配管の前記接続面に対する上流側での前記流体の流入境界条件、および、前記主配管の前記接続面に対する下流側での前記流体の流出境界条件を含む流動条件が入力される流動条件入力機能と、
前記流入境界条件および前記流出境界条件に基づいて前記主配管での流体の流れを数値解析して前記接続面でのせん断力を求める主配管解析機能と、
前記分岐配管の前記接続面の近傍に生じるセル状渦が前記分岐配管に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦が前記分岐配管に添って延びる旋回渦長さを前記せん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析機能と、
を実現させることを特徴とする配管熱成層評価プログラム。
【請求項１３】
水平に配置されて内部を流体が流れる主配管とこの主配管への接続面から閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面位置を評価する配管熱成層評価方法において、
前記配管体系の形状、前記主配管の前記接続面に対する上流側での前記流体の流入境界条件、および、前記主配管の前記接続面に対する下流側での前記流体の流出境界条件を含む流動条件を設定する流動条件設定工程と、
前記流入境界条件および前記流出境界条件に基づいて前記主配管での流体の流れを数値解析して前記接続面でのせん断力を求める主配管解析工程と、
前記分岐配管の前記接続面の近傍に生じるセル状渦が前記分岐配管に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦が前記分岐配管に添って延びる旋回渦長さを前記せん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析工程と、
を備えることを特徴とする配管熱成層評価方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主配管と閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面位置を評価する配管熱成層評価システム、配管熱成層評価プログラムおよび配管熱成層評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
発電プラントの流体が流れる配管系において、一般的に、主配管に接続している分岐配管は多数存在する。分岐配管と主配管との接合部分では、２つの流体が分岐あるいは混合している。これらの２流体の温度差が大きい場合は、２流体が接する配管構造材に、時間的に変動する熱応力が作用する。このため、このような配管構造材に、高サイクル熱疲労が生じる場合がある。そこで、配管健全性を評価する必要がある。
【０００３】
分岐配管の一端がプラントの通常運転時に閉塞していて分岐配管を通過する流れがない個所であっても、分岐配管途中に熱成層界面が生成されると熱成層界面近傍の配管構造材には熱応力の時間変動が生じる。
【０００４】
次に、閉塞分岐配管内の熱成層化事象について説明する。主配管に分岐配管が連通して接続され、分岐配管の一端が弁体などで閉塞されている場合、主配管と分岐配管との接続面近傍では、主流によって駆動されたセル状渦が生じる。分岐配管が鉛直下方に伸びている場合は、セル状渦の下流で、分岐配管壁面に沿って下降する旋回渦と分岐配管中心軸近傍を上昇する流れが生じる。
【０００５】
主配管と分岐配管の流体に温度差があると、分岐配管に浸入する流れによって主流の熱が輸送され分岐配管の途中に熱成層界面が形成される。分岐配管内の渦の時間変動によって熱成層界面は揺らぐため、配管構造材に熱応力が発生する。
【０００６】
このように高サイクルな熱応力が作用する配管構造材の健全性を評価するために、実機配管の縮尺スケール試験に基づいて制定された評価指針（非特許文献１）では、熱成層界面がエルボ位置にないかどうかを判定している。
【０００７】
このような閉塞分布配管への高温流体の侵入を抑制するために、セル状渦下流の旋回渦を形成させないことを目的として、分岐配管内に旋回流防止部材を設置する場合がある（たとえば特許文献１参照）。また、セル状渦が存在する領域には熱成層界面が形成されないという知見から、分岐配管内の明確なセル状渦が形成される領域あるいは旋回渦への遷移領域のどちらかにエルボを配置することにより熱成層界面がエルボ内に出現することを防止する方法がある（たとえば特許文献２参照）。
【０００８】
さらに、複数の発電プラントの対応する分岐配管の熱疲労現象をリアルタイムに管理し、長周期温度変動に基づいて有限要素法解析により長周期応力変動を計算する方法がある（たとえば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開２００４−２７０７３８号公報
【特許文献２】特開２００２−９８２８５号公報
【特許文献３】特開２００２−３２４１９号公報
【非特許文献１】日本機械学会基準、「配管の高サイクル熱疲労に関する評価指針」、ＪＳＭＥ  Ｓ  ０１７−２００３、日本機械学会、２００３年１１月
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
配管熱成層の評価においては、評価指針の適用範囲外の配管体系に対しては詳細評価をする必要がある。実機配管の計測では、配管を覆う保温材内側の配管表面温度を運転中に多数計測する必要があるため、沸騰水型原子炉では被曝に対する作業性の問題もあり、多くの配管を評価するには多大な時間とコストがかかる。
【００１０】
また、数値解析によって予測する場合においても、評価する実機配管の配管口径が大きくなるほど、解析メッシュ数が膨大になり、評価する現象時間が長いことから実機配管計測と同様に時間とコストがかかってしまうという課題がある。
【００１１】
そこで、本発明は、閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上述の目的を達成するため、本発明は、水平に配置されて内部を流体が流れる主配管とこの主配管への接続面から閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面の位置を評価する配管熱成層評価システムにおいて、前記配管体系の形状、前記主配管の前記接続面に対する上流側での前記流体の流入境界条件、および、前記主配管の前記接続面に対する下流側での前記流体の流出境界条件を含む流動条件が入力される流動条件入力部と、前記流入境界条件および前記流出境界条件に基づいて前記主配管での流体の流れを数値解析して前記接続面でのせん断力を求める主配管解析モジュールと、前記分岐配管の前記接続面の近傍に生じるセル状渦が前記分岐配管に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦が前記分岐配管に添って延びる旋回渦長さを前記せん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析モジュールと、を備えることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、水平に配置されて内部を流体が流れる主配管とこの主配管への接続面から閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面位置を評価する配管熱成層評価プログラムにおいて、計算機に、前記配管体系の形状、前記主配管の前記接続面に対する上流側での前記流体の流入境界条件、および、前記主配管の前記接続面に対する下流側での前記流体の流出境界条件を含む流動条件が入力される流動条件入力機能と、前記流入境界条件および前記流出境界条件に基づいて前記主配管での流体の流れを数値解析して前記接続面でのせん断力を求める主配管解析機能と、前記分岐配管の前記接続面の近傍に生じるセル状渦が前記分岐配管に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦が前記分岐配管に添って延びる旋回渦長さを前記せん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析機能と、を実現させることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、水平に配置されて内部を流体が流れる主配管とこの主配管への接続面から閉塞した端部まで延びる分岐配管とを含む配管体系の熱成層界面位置を評価する配管熱成層評価方法において、前記配管体系の形状、前記主配管の前記接続面に対する上流側での前記流体の流入境界条件、および、前記主配管の前記接続面に対する下流側での前記流体の流出境界条件を含む流動条件を設定する流動条件設定工程と、前記流入境界条件および前記流出境界条件に基づいて前記主配管での流体の流れを数値解析して前記接続面でのせん断力を求める主配管解析工程と、前記分岐配管の前記接続面の近傍に生じるセル状渦が前記分岐配管に沿って延びるセル状渦長さとこのセル状渦の下流に生じる旋回渦が前記分岐配管に添って延びる旋回渦長さを前記せん断力に基づいて数値解析によって求める分岐配管解析工程と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る配管熱成層評価システムの実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、同一または類似の構成には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明に係る配管熱成層評価システムの第１の実施の形態の評価対象の配管系を模式的に示す側断面図である。
【００１８】
評価対象の配管系は、水平に配置されて高温流体が流れる主配管１の鉛直下方に分岐配管４が接続されている配管系である。分岐配管４は、主配管１と分岐配管４の接続面８から、弁体などで閉塞された端部９まで延びている。分岐配管４の途中には、エルボ２７が形成されている。
【００１９】
主配管１と分岐配管４の接続面８の近傍では、主流７によって駆動されたセル状渦５が生じる。分岐配管４が鉛直下方に延びている場合には、セル状渦５の下流で、分岐配管４の壁面に沿って下降する旋回渦６と、分岐配管４の中心軸近傍を上昇する流れが生じる。
【００２０】
主配管１と分岐配管４の流体に温度差があると、分岐配管４に浸入する流れによって主流７の熱が輸送され、分岐配管４の途中に熱成層界面２６が形成される。分岐配管４の内部の渦の時間変動によって熱成層界面２６が揺らぐため、配管構造材に熱応力が発生する。
【００２１】
本実施の形態の配管熱成層評価システムは、このような閉塞分岐配管内の熱成層化事象の評価を行うシステムである。
【００２２】
図２は、本実施の形態におけるモデル化の方法を模式的に示す評価対象の配管系の側断面図である。
【００２３】
評価対象の配管系は、接続面８で主配管１および分岐配管４に分割されて、それぞれがモデル化される。なお、主配管１の分岐配管４との接続面８に対して上流側にエルボが配置されている場合は、そのエルボをモデル化範囲に含める。
【００２４】
図３は、本実施の形態における配管熱成層評価システムのブロック図である。
【００２５】
配管熱成層評価システムは、流動条件入力部４０、主配管解析モジュール５４および分岐配管解析モジュール６０を有している。
【００２６】
流動条件入力部４０から、配管体系の形状および流動条件が入力される。流動条件には、主配管１の接続面８に対する上流側での流体の流入境界条件、および、主配管１の接続面８に対する下流側での前記流体の流出境界条件が含まれる。主配管解析モジュール５４は、流入境界条件および流出境界条件に基づいて主配管１での流体の流れを数値解析して接続面８でのせん断力を求める。分岐配管解析モジュール６０は、分岐配管４の接続面８の近傍に生じるセル状渦５が分岐配管に沿って延びるセル状渦長さと、このセル状渦の下流に生じる旋回渦６が分岐配管に添って延びる旋回渦長さを、接続面８でのせん断力に基づいて数値解析によって求める。なお、主配管解析モジュール５４と分岐配管解析モジュール６０とは、別々に数値計算を行う。
【００２７】
熱成層界面２６の位置は、セル状渦長さと旋回渦長さを足し合わせることによって評価される。配管熱成層評価システムは、セル状渦長さと旋回渦長さを足し合わせて熱成層界面２６の位置を求める熱成層界面位置評価部７０を備えていてもよい。熱成層界面２６の位置が、エルボ２７が形成された位置にないかどうかを確認することにより、評価指針に適合するかどうかが判定される。また、時間の経過に伴う熱成層界面２６の位置の変化を用いることにより、分岐配管４に生じる熱疲労を評価することもできる。熱成層界面２６の位置などの解析結果は、たとえばディスプレー（図示せず）に表示される。
【００２８】
配管熱成層評価システムは、さらに、主配管データベース５２および主配管データ検索部５０を有していてもよい。主配管データベース５２は、主配管解析モジュール５４によって求められたせん断力を流動条件に対応させて記憶する。主配管データ検索部５０は、流動条件に対応する接続面８でのせん断力が主配管データベース５２に記憶されている場合には、その数値解析結果を主配管データベース５２から抽出する。また、主配管データ検索部５０は、流動条件に対応する接続面８でのせん断力が主配管データベース５２に記憶されていない場合には主配管解析モジュール５４に数値解析を行わせる。
【００２９】
このような配管熱成層評価システムは、これらの機能を実現させるプログラムをコンピュータ上で動作させることによっても実現することができる。この際、１台のコンピュータを用いてもよいし、ネットワークなどで互いに接続された複数のコンピュータを用いてもよい。
【００３０】
図４は、本実施の形態における配管熱成層評価方法の流れ図である。
【００３１】
まず、流動条件入力部４０から、配管体系の形状および流動条件が入力される（工程Ｓ１）。
【００３２】
次に、主配管データ検索部５０は、流動条件に対応する接続面８でのせん断力が主配管データベース５２に記憶されているか否かを判定する（工程Ｓ２）。流動条件に対応する接続面８でのせん断力が主配管データベース５２に記憶されている場合には、その数値解析結果が主配管データベース５２から抽出されて、分岐配管解析モジュール６０に伝達される（工程Ｓ３）。流動条件に対応する接続面８でのせん断力が主配管データベース５２に記憶されていない場合には、主配管解析モジュール５４が、流入境界条件および流出境界条件に基づいて主配管１での流体の流れを数値解析して接続面８でのせん断力が求められる（工程Ｓ４）。工程Ｓ４で求められたせん断力は、流動条件に対応させて主配管データベース５２に記憶されて、また、分岐配管解析モジュール６０に伝達される（工程Ｓ５）。
【００３３】
その後、分岐配管解析モジュール６０が、工程Ｓ３または工程Ｓ４で得られた接続面８でのせん断力に基づいて数値解析を行う（工程Ｓ６）。この数値解析により、分岐配管４の接続面８の近傍に生じるセル状渦５が分岐配管に沿って延びるセル状渦長さと、このセル状渦の下流に生じる旋回渦６が分岐配管に添って延びる旋回渦長さが得られる。このセル状渦長さと旋回渦長さが、熱成層界面位置評価部７０によって足し合わされて熱成層界面２６の位置が評価される（工程Ｓ７）。
【００３４】
このような配管熱成層評価システムでは、一度計算を行った評価対象の配管系と形状または流動条件が異なる場合にのみ、主配管１に関する解析を実行すればよい。このため、既存の解析結果と、分岐配管４の形状のみが異なる場合などは、主配管１についての数値解析を行う必要がなく省略することができる。よって、閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できる。また、一度計算を行った評価対象の配管系に関する解析結果は、主配管データベース５２に保存されていて、主配管データ検索部５０によって抽出されるため、既に行った解析の検索が容易である。
【００３５】
このように本実施の形態の配管熱成層評価システムでは、閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できる。
【００３６】
［第２の実施の形態］
図５は、本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるモデル化の方法を模式的に示す評価対象の配管系の側断面図である。
【００３７】
本実施の形態では、評価対象の配管系は、第１の実施の形態と同様に、接続面８で主配管１および分岐配管４に分割される。分岐配管４は、さらに、セル状渦５と旋回渦６との界面１０で、セル状渦５が形成されるセル状渦部２と旋回渦６が形成される旋回渦部３とに分割される。これらの主配管１、セル状渦部２および旋回渦部３が、それぞれモデル化される。
【００３８】
図６は、本実施の形態における配管熱成層評価システムのブロック図である。
【００３９】
本実施の形態の配管熱成層評価システムは、第１の実施の形態と分岐配管解析モジュール６０が異なる。本実施の形態の分岐配管解析モジュール６０は、セル状渦解析モジュール６６、旋回渦解析モジュール６８、分岐配管データベース６２および分岐配管データ検索部６４を有している。
【００４０】
セル状渦解析モジュール６６は、主配管１と分岐配管４との接続面８でのせん断力に基づいて数値解析を行い、セル状渦長さＬｃと、セル状渦部２と旋回渦部３との界面１０での旋回流速Ｖｓおよび軸流速Ｖａを求める。旋回渦解析モジュール６８は、セル状渦部２と旋回渦部３との界面１０での旋回流速および軸流速Ｖａに基づいて数値解析を行い、旋回渦長さＬｓを求める。なお、セル状渦解析モジュール６６と旋回渦解析モジュール６８とは、別々に数値計算を行う。
【００４１】
分岐配管データベース６２は、セル状渦解析モジュール６６によって求められたセル状渦長さと、セル状渦部２と旋回渦部３との界面１０での旋回流速Ｖｓおよび軸流速Ｖａを、流動条件およびせん断力とに対応させて記憶する。分岐配管データ検索部６４は、流動条件およびせん断力に対応するセル状渦長さＬｃと、セル状渦部２と旋回渦部３との界面１０での旋回流速Ｖｓおよび軸流速Ｖａが分岐配管データベース６２に記憶されている場合には、その数値解析結果を分岐配管データベース６２から抽出する。また、分岐配管データ検索部６４は、流動条件およびせん断力に対応するセル状渦長さＬｃなどが分岐配管データベース６２に記憶されていない場合には、セル状渦解析モジュール６６に数値解析を行わせる。
【００４２】
このような配管熱成層評価システムでは、一度計算を行って分岐配管データベース６２に保存された分岐配管４と形状または流動条件が異なる場合に、解析を実行すればよい。このため、既存の解析結果と、分岐配管４のエルボ２７の形状のみが異なる場合などは、セル状渦部２についての数値解析を行う必要がなく省略することができる。よって、閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できる。
【００４３】
また、主配管１と分岐配管４との接続面８に、流速に関する滑り出し条件を解析境界条件として設定してもよい。なお、この際、配管の側面部分には、滑りなしの境界条件を与える。主配管解析モジュール５４および分岐配管解析モジュール６０が、この解析境界条件を用いることにより、接続面８での流速がゼロ、すなわち、滑りなしとならないようにすることができる。
【００４４】
セル状渦部２と旋回渦部３との界面１０に、圧力境界条件を解析境界条件として設定してもよい。セル状渦解析モジュール６６および旋回渦解析モジュール６８が、この解析境界条件を用いることにより、界面１０での流体の流入および流出を許容し、旋回渦６の軸方向成分がゼロとならないようにすることができる。
【００４５】
主配管解析モジュール５４およびセル状渦解析モジュール６６の数値解法としては、たとえば乱流モデルを適用する、主配管解析モジュール５４およびセル状渦解析モジュール６６では、乱流モデルを用いてレイノルズ応力を計算する。乱流モデルとしては、たとえば乱流エネルギーｋと消散率εを変数とした支配法的式から乱流渦粘性を計算するｋ−εモデルを用いる。
【００４６】
旋回渦解析モジュール６８の数値解法としては、層流モデルを適用する。層流モデルを用いて乱流に関する支配方程式は解かずに、流れ場に対しては運動量方程式のみを計算する。
【００４７】
このように、主配管解析モジュール５４およびセル状渦解析モジュール６６と、旋回渦解析モジュール６８では異なるモデルを用いることにより、流れが乱流となっている領域には乱流モデルを適用し、流れが層流となっている領域には層流モデルを適用できる。このため、旋回渦６では乱流に関する支配方程式を解く必要がなくなる。よって、評価する配管体系の形状や流動条件に応じて、主配管１とセル状渦部２と旋回渦部３のうちの、必要な部分では適切に乱流を取り扱うことができる。したがって、解析結果の精度を維持しつつ、主配管１および分岐配管４の全体について乱流に関する支配方程式を解く場合よりも、計算時間を短縮することができる。
【００４８】
主配管解析モジュール５４では熱計算を行わず、セル状渦解析モジュール６６と旋回渦解析モジュール６８では熱計算を行うようにしてもよい。主配管１では、主流の強制対流による熱輸送が支配的であるため、主流の温度は全領域でほぼ均一と見ることができる場合がある。一方、分岐配管４では、流速が遅くなるので熱拡散や浮力の影響が無視できない場合がある。このような場合に、分岐配管４については、熱に関する支配方程式を計算し、分岐配管４の表面についての境界条件に関しても、配管表面からの放熱を考慮した計算を行う。
【００４９】
このように、セル状渦５や旋回渦６が生じる分岐配管４については熱計算を行うが、温度がほぼ均一となっている主配管１については熱計算を行わないと、主配管１について熱に関する支配方程式を解く必要がなくなる。よって、主配管１とセル状渦部２と旋回渦部３のうちの、必要な部分では熱の輸送を適切に取り扱うことができる。このため、主配管１および分岐配管４の全体について熱に関する支配方程式を解く場合よりも計算時間を短縮することができる。
【００５０】
図７は、本実施の形態における主配管１と分岐配管４との接続部部分の例を示す模式的断面図であって、（ａ）は接続部分にＲ形状が設けられている場合、（ｂ）は接続部分にＲ形状が設けられていない場合の断面図である。なお、図７の上段は横断面図、下段は側断面図を示す。図８は、本実施の形態におけるせん断力τとセル状渦長さＬｃとの関係の例を示すグラフである。なお、セル状渦長さＬｃは、分岐配管４の口径ｄで規格化している。また、図９は、本実施の形態におけるせん断力τとセル状渦５の最大流速Ｖｍａｘとの関係の例を示すグラフである。
【００５１】
セル状渦長さＬｃは、主配管１と分岐配管４との接続面８のせん断力τ、および分岐配管４の口径ｄと接続面８の楕円率（短径と長径の比）などから求めることもできる。また、主配管１と分岐配管４の接続面８の形状は、配管口径比や分岐配管４の主配管１との接続部との端部２０に形成されたＲ形状などによって、真円ではなく楕円となる場合がある。そこで、接続面８の形状の変化による、セル状渦長さＬｃへの影響を補正してもよい。また、分岐配管データベース６２を用いてせん断力τからセル状渦５の最大流速Ｖｍａｘを予測することもできる。
【００５２】
このように配管口径比や接続部形状を考慮した評価によって、旋回渦解析モジュール６８の評価に必要なセル状渦５の最大流速Ｖｍａｘを求めることができる。また、セル状渦解析モジュール６６でのモデル寸法を適切に決めることもできる。
【００５３】
図１０は、本実施の形態における主配管１と分岐配管４との接続部部分の模式的断面図であって、上段は下段のＡ−Ａ矢視横断面図、下段は側断面図を示す。
【００５４】
セル状渦５の旋回渦６との界面における旋回流速および軸方向流速は、セル状渦５の最大流速Ｖｍａｘ、この最大流速Ｖｍａｘを生じるＡ−Ａ位置での分岐配管４の中心線からの変動幅δ、および、分岐配管４の口径ｄをパラメータとして求めてもよい。この際、予め、最大流速Ｖｍａｘおよび変動幅δに対応させて旋回流速Ｖｓおよび軸流速Ｖａを記憶させた分岐配管データベース６２を用いてもよい。
【００５５】
図１１は、本実施の形態における分岐配管４の口径ｄと変動幅δとの関係の例を示すグラフである。図１２は、本実施の形態におけるセル状渦５の最大流速Ｖｍａｘと軸流速Ｖａとの関係の例を示すグラフである。図１３は、本実施の形態におけるセル状渦５の最大流速Ｖｍａｘと旋回流速Ｖｓとの関係の例を示すグラフである。
【００５６】
主流７が偏流せずに主配管１の軸方向に向かって流動している場合、セル状渦５は分岐配管４の断面の中心線とほぼ平行に生成される。しかし、セル状渦５が沿う分岐配管４の壁面は曲面であるため、曲率が大きい場合など不安定性が大きい条件では分岐配管４の断面中心線からずれることによって旋回流速Ｖｓを生じる場合がある。そこで、このずれの幅δをパラメータとしてセル状渦５の旋回流速Ｖｓを補正してもよい。
【００５７】
このようにすると、配管口径比や主配管１と分岐配管４の接続面８のＲ形状などによって、セル状渦の最大流速Ｖｍａｘの位置の断面中心線からの変動幅δが変化した場合であっても、それらを考慮して旋回渦６の数値解析の境界条件となる旋回渦流速を求めることができる。
【００５８】
図１４は、本実施の形態における旋回流速Ｖｓと軸流速Ｖａの積と旋回渦長さＬｓとの関係の例を示すグラフである。
【００５９】
また、旋回渦長さＬｓは、旋回渦６の流速がゼロとなった位置までの長さとして定義し、旋回渦６の減衰距離を計算することによって求めることもできる。この減衰距離は、旋回渦６の旋回流速Ｖｓと軸流速Ｖａとの積および分岐配管４の口径ｄを用いて計算できる。このようにして、旋回渦解析モジュール６８では、複雑な数値解析を行うことにより旋回渦長さＬｓを得ることができる。
【００６０】
［第３の実施の形態］
図１５は、本発明に係る配管熱成層評価システムの第３の実施の形態における評価対象の配管系のモデル化の方法を模式的に示す主配管の側断面図である。
【００６１】
本実施の形態は、主配管１の分岐配管４との接続面８に対して上流側にエルボ２９が配置されている配管系を評価対象とする。このエルボ２９と接続面８との距離をＬとする。主流７の平均流速をＵとし、流体のレイノルズ数をＲｅとする。レイノルズ数Ｒｅは、主流７の平均流速と主配管１の口径Ｄ、主流７の圧力と温度から決まる粘性係数μと密度ρから、Ｒｅ＝ＵＤ／（μ・ρ）＝ＵＤ／νとして求められる。ここで、νは、動粘性係数である。
【００６２】
本実施の形態の主配管データベース５２は、主配管１の分岐配管４との接続面８におけるせん断力τを主配管の内部の流体の平均流速Ｕおよびレイノルズ数Ｒｅ、ならびに、エルボ２９と接続面との距離Ｌに対応させて記憶する。予め構築された主配管データベース５２を用いて、せん断力τは求められる。なお、評価対象の配管体系の形状および流動条件に対応するせん断力τが主配管データベース５２に記憶されていない場合には、主配管解析モジュール５４によって、せん断力τが求められる。主配管解析モジュール５４によって求められたせん断力τを主配管データベース５２に記憶させてもよい。
【００６３】
図１６は、本実施の形態におけるレイノルズ数Ｒｅとせん断力τとの関係の例を示すグラフである。
【００６４】
図１６に示すように、分岐配管４からエルボ２９までの距離Ｌが主配管１の口径Ｄの１０倍より短い場合には、エルボ２９による断面内偏流を考慮して、せん断力τを補正してもよい。
【００６５】
本実施の形態の配管熱成層評価システムは、主流７の流速Ｕと主配管１の口径Ｄ、主流７の圧力と温度から決まる粘性係数μと密度ρからレイノルズ数Ｒｅを計算する。また、エルボ２９による主配管１の断面内流速分布の偏流を考慮することもできる。このようにして、主配管データベース５２から分岐配管解析モジュール６０の境界条件となるせん断力を求めることができる。
【００６６】
このように本実施の形態の配管熱成層評価システムでは、閉塞分岐配管に生成される熱成層事象を短い時間で数値解析できる。また、主配管１にエルボ２９が設けられた場合であっても、その影響を適切に取り入れて主配管１と分岐配管４との接続面８でのせん断力τを求めることができる。
【００６７】
［他の実施の形態］
上述の各実施の形態は単なる例示であり、本発明はこれらに限定されない。また、各実施の形態の特徴を組み合わせて実施することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明に係る配管熱成層評価システムの第１の実施の形態の評価対象の配管系を模式的に示す側断面図である。
【図２】本発明に係る配管熱成層評価システムの第１の実施の形態におけるモデル化の方法を模式的に示す評価対象の配管系の側断面図である。
【図３】本発明に係る配管熱成層評価システムの第１の実施の形態におけるブロック図である。
【図４】本発明に係る配管熱成層評価システムの第１の実施の形態における配管熱成層評価方法の流れ図である。
【図５】発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるモデル化の方法を模式的に示す評価対象の配管系の側断面図である。
【図６】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるブロック図である。
【図７】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態における主配管１と分岐配管との接続部部分の例を示す模式的断面図であって、（ａ）は接続部分にＲ形状が設けられている場合、（ｂ）は接続部分にＲ形状が設けられていない場合の断面図である。
【図８】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるせん断力とセル状渦長さとの関係の例を示すグラフである。
【図９】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるせん断力τとセル状渦の最大流速との関係の例を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態における主配管と分岐配管との接続部部分の模式的断面図であって、上段は下段のＡ−Ａ矢視横断面図、下段は側断面図を示す。
【図１１】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態における分岐配管の口径ｄと変動幅との関係の例を示すグラフである。
【図１２】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるセル状渦の最大流速と軸流速との関係の例を示すグラフである。
【図１３】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態におけるセル状渦の最大流速と旋回流速との関係の例を示すグラフである。
【図１４】本発明に係る配管熱成層評価システムの第２の実施の形態における旋回流速と軸流速の積と旋回渦長さとの関係の例を示すグラフである。
【図１５】本発明に係る配管熱成層評価システムの第３の実施の形態における評価対象の配管系のモデル化の方法を模式的に示す主配管の側断面図である。
【図１６】本発明に係る配管熱成層評価システムの第３の実施の形態におけるレイノルズ数とせん断力との関係の例を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６９】
１…主配管、２…セル状渦部、３…旋回渦部、４…分岐配管、５…セル状渦、６…旋回渦、７…主流、８…接続面、９…端部、１０…界面、２６…熱成層界面、２７…エルボ、２９…エルボ、４０…流動条件入力部、５０…主配管データ検索部、５２…主配管データベース、５４…主配管解析モジュール、６０…分岐配管解析モジュール、６２…分岐配管データベース、６４…分岐配管データ検索部、６６…セル状渦解析モジュール、６８…旋回渦解析モジュール、７０…熱成層界面位置評価部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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