INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 147

下向き閉塞分岐配管に生じる流動挙動に関する研究（分岐管形状が流動挙動に与える影響）
Flow Structure in a Downward Branch Pipe with a Closed End（Eﬀect of Branch Pipe Shapes on Flow Structure）
三好弘二（Koji Miyoshi）＊１

中村晶（Akira Nakamura）＊１

信幸（Nobuyuki Takenaka）＊２

竹中

要約
主配管から下方へ分岐し，内部に滞留した流体を有する下端部が閉塞された分岐配管では，分岐配管内にキャビティフローが発生し，主配管の高温水が分岐配管内に侵入する．その結果，急峻な温度勾配を有する熱成層界面が発生し，この界面の変動は，管壁の温度変動を引き起こし，熱疲労による貫通き裂が発生する場合がある．本研究では，主流の侵入深さの変動メカニズムを検討するため，これまでの円管に加え，矩形管，縮小管，拡大管を用いて，分岐管内の渦構造の可視化実験を行った．その結果，矩形の分岐管を用いた実験により，L = 4Db 位置の断面で観察された管全体を支配する旋回流の発生が抑制され，主流の侵入深さの変動が抑制されることがわかった．分岐管が円管で一部を縮小管および拡大管にした場合，侵入深さの変動は観察されたが，その最大侵入深さは円管の場合に比べ，小さくなった．
キーワード

キャビティフロー，熱成層，旋回渦，分岐管

Abstract
Flow in the main pipe induces a cavity ﬂow in a downward branch pipe with aclosed end. Hot water in the main pipe penetrates into the branch pipe and makes a thermal
stratiﬁcation with a large temperature gradient. The ﬂuctuations of the thermal stratiﬁcation
causes temperature ﬂuctuations in the wall and could lead to thermal fatigue cracks. The ﬂow
structure in the branch pipe was observed by experiments to investigate ﬂuctuation mechanism
for penetration depth. Experiments with a rectangular branch pipe were conducted to suppress
the ﬂuctuation of penetration depth induced by the main ﬂow. It was shown that the ﬂuctuationof penetration depth in the rectangular pipe was suppressed when the large swirl ﬂow at L =4Db, which was observed in a round pipe, was not formed. The maximum penetration depth ina round pipe with a reducing and expanding section was smaller than that of the straight roundpipe.
Keywords

cavity ﬂow, thermal stratiﬁcation, swirl ﬂow, branch pipe,．
通き裂を生じさせることが報告されている（2）（3）

1. 序論

日本機械学会では，このような流体の温度変動に主配管から下方へ分岐し，内部に滞留した流体を起因する高サイクル熱疲労を評価するため，「配管有する下端部が閉塞された分岐配管（以下，閉塞分（以下，の高サイクル熱疲労に関する評価指針」（4）岐配管）では，分岐配管内にキャビティフローが発指針）を策定した．図１に示すとおり水平配管を有生する．分岐配管の流体が主配管の流体よりも低温する閉塞分岐配管では，高温の主流が曲がり部に到である場合には，このキャビティフローが主配管の達した場合，水平配管部に滞留した冷水との熱成層高温水を分岐配管内へ輸送するため，そこで急峻な界面が変動するため，有意な壁温変動が発生し，熱（1）．また，疲労による損傷が懸念される．よって，指針では，この熱成層界面の変動は，管壁の温度変動を引き起閉塞分岐配管滞留部の熱成層界面の変動による高サ

こし，原子力プラント配管において熱疲労による貫イクル熱疲労を防止するため，熱成層界面が曲がり温度勾配を有する熱成層界面が発生する＊ 1 （株）
原子力安全システム研究所 技術システム研究所＊ 2 神戸大学工学部

INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 1

48部付近に存在しないよう主流の侵入深さを確認して（5）（6）, （7）,．

いるL = 4Db 位置（遷以上得られた知見を踏まえると，移領域）の断面で観察された管全体を支配する旋回

指針では実験で得られた知見を基に主流の侵入深流（図３の（c））の発生を抑制することで，主流のさを評価しているため，その適用範囲は限られてお侵入深さやその変動を抑制できる可能性がある．本り，分岐配管内径 43.1 mm（JIS 2B，sch160）未満

報では，分岐管断面の形状をこれまでの円管から矩の配管に関する知見は不十分である．しかしながら

形管，縮小管，拡大管に変更し，分岐管内の流動挙プラント配管には，ドレン配管やプロセス計器への動に与える影響を調べた．

取り出し配管などの内径43.1 mm 未満の配管も多数存在することから，その知見拡充は重要である．
著者らは，これまで分岐管内径 Db = 43 mm 以下の下向き閉塞分岐配管を対象に分岐管内の流動状態を調べ，以下の知見を明らかにしている．
（1）分岐管側面から観察した流動挙動は図２に示すとおり鉛直方向に回転するキャビティフローの領域１，流れが乱れた遷移領域，旋回状の下降流れと中心付近の上昇流が見られる領域２から,．
形成される（8）（9）（2） 主配管底部からトレーサ粒子の動いている位置までを主流の侵入深さと定義した場合，図２に示すとおりその侵入深さLsは変動する（8）,（9）．

図２,鉛直下向き分岐管内の流動状態（8）（9）（3） 図２で示した領域１および遷移領域における分岐管断面の渦構造を観察した結果，図３に示すとおり（a）キャビティフローの一部と考えられる断面に平行な流れ，（b）複数の小さな渦が形成される流れ，（c）管全体を支配する旋回流の３つの流動パターンが存在した（a）管断面に平行な流れ

（10）

．

（b）複数の小さな渦が形成される流れ（4） L = 4Db位置（遷移領域）の断面で観察された管全体を支配する旋回流（図３の（c））が周期的に発生し，領域２に示すとおり，鉛直に下降することで，主流の侵入深さLsの変動が（ここでLは主発生している可能性がある（10）．
流流路底部からの距離を示す）（c）管全体を支配する旋回流
図 3 分岐管断面上の流線画像と模式図（10）主流

2. 実験装置および方法
2.1 実験ループ

主流の侵入深さ

図４に実験ループの概略図を示す．試験流体には脱気水を用い，ポンプ入熱による流体温度上昇を防ぐため，熱交換器の冷却水量により制御し，分岐配管には約 25℃の水を滞留させ，主流温度を分岐配冷水
熱成層界面

図１ 水平部を有する閉塞分岐配管での壁温変動発生メカニズム

管内の温度と等温になるように調整した．流量はポンプ出口に設けた弁で調整し，主流流速 Um は試験

INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 1

サージタンク

流量計

試験部

温度計
TF

□ 43mm

流れ方向

バイパス弁

Φ43mm

Φ16mm

820 mm

T49129mm or
215mm

13.5mm
16mm
13.5mm

圧力計
P

熱交換器

図４573mm

ポンプ

実験ループの概略図
60mm

A10mm

（b）縮小管（a）矩形管

R5

φ 86

主流分岐配管Aʼ600mm

A-Aʼ 断面図

図５

試験部入口形状および主流流路形状

部上流の電磁流量計（TOSHIBA 製，精度 ± 0.5%of Rate）により管断面平均値を測定した．
図５に試験部入口部の形状と主流流路形状を示す．十分な主流流速を得るため図５に示すとおり主流流路形状は幅 60mm，厚さ 10mm の矩形流路とした．また，主流が十分発達するように矩形流路入口から分岐部までの距離は 600mm で主流流路の水力,等価直径の約35倍とした．これらの形状は既報（9）（10）（c）拡大管
図６

試験体の概略図と同じとした．

を支配する旋回流の発生を抑制することで，主流の2.2 試験体侵入深さやその変動を抑制できる可能性があることから，ここで縮小位置および拡大位置は，L = 3Db,5Db（ L = 129, 215mm）の 2 ケースとした．

分岐管形状が流動挙動に与える影響を調べるために使用した試験体を図６（a）~（c）に示す．試験体

2.3 実験方法および条件

はアクリル製であり，試験体（a）は一辺 43mm の矩形断面の分岐管（以下，矩形管という），試験体主流が分岐配管内部に侵入した際の管内の渦構造（b）は内径 43mm の円管の一部を縮小させた管（以を調べるため，前節で示した試験体を用い，流れの下，縮小管という），試験体（c）は内径 43mm の円可視化実験を行なった．主流の侵入深さおよび分岐管の一部を拡大させた管（以下，拡大管という）である．１節で述べたとおり，これまでの知見から L

管断面上の流動状態を観察するため，トレーサ粒子= 4Db 位置（遷移領域）の断面で観察された管全体ル製の粒子（粒子径，数百μm 程度）を使用した．

としてアルコールで濡れ性を良くした発砲スチロー

INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 150

侵入深さ Ls は，分岐管側面から観察し，主配管底部からトレーサ粒子の動いている位置までを測定し

'H =

 $I

（1）

/I

た．また，分岐管断面の様子は図７に示すとおり分を観察するため，黒画用紙でアクリル試験体を覆い，ここで Af は矩形管の流路断面積，Lf は流路濡れ縁長さである．矩形管の水力等価直径 De は 43mm と高さ約 10 mm のスリットを設け，分岐配管側面かなる．最大侵入深さは矩形管では，円管に比べ約半ら光を照射し，そのスリット位置を上下させた．

分となった．

岐管の真上から観察した．分岐管軸上の任意の断面

矩形管において図２に示した領域２にあたる旋回

観察方向

流の下降流れが観察されなかった理由を調べるため分岐管断面上の可視化を行った．図 10 に L = 4De 位

主流の流れ置（図９の乱れた領域内），Um = 5 m/s の場合の分岐管断面の可視化結果を示す．撮影は露光時間 1/4秒に設定し，スチルカメラで行った．また，トレーサ粒子による流線をわかりやすくするため，画像を白黒に二値化した．図に示すとおり複数の小さな渦が形成される流れは観察されたが，円管の場合に確10mm

図７光

認できた管全体を支配する旋回流（図３の（c））は観察できなかった．

分岐管断面の流動状態の観察方法

3. 実験結果および考察
3.1 分岐管形状が流動挙動に与える影響
3.1.1 矩形管
図８

図８に矩形管において，分岐管側面からの観察結果から得られた流動様式の模式図を示す．図に示す

20

とおり円管の場合と同様に鉛直方向に回転するキャ

1816が，図２の領域２にあたる旋回流の下降流れは観察14察されなかった．
次に，主流平均流速 Um = 4~15m/s，分岐管が円管（内径 43mm）と矩形管の場合の主流の最大侵入深さ Lmax/De を図９に示す．Lmax は，600 秒間の侵入深さ Ls の最大値であり，次式で定義される．水力等価直径 De で無次元化して示した．

/PD['H>@

ビティフローとその直下の乱れた領域は観察されたされなかった．また，侵入深さの周期的な変動は観鉛直下向き矩形管内の流動状態

1210864円管矩形管

1214202468108P>PV@

図９主流の最大侵入深さ（円管，矩形管）

16INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 151することで，複数の小さな渦が形成されるにとどまを分岐管内径で無次元化して示した．侵入深さの変動幅 ƋL/Db は，円管の場合に比べ増加する傾向がみり，管全体を支配する旋回流の発生が抑制され，旋られた．その要因については今後検討を要する．

矩形管にすることでコーナー部に小さい渦が拡散回流の下降流れ（図２の領域２）および侵入深さの周期的な変動が観察されなかったと推定される．

図 10（a）縮小位置 / 'E の場合

矩形管断面上の流線画像（L=4De 位置 , Um=5m/s）

3.1.2 縮小管
本実験では，実機への適用性も考慮し，矩形管に加え，円管の一部を縮小させる縮小管の場合の観察も行った．図 11 に，分岐管側面からの観察結果から得られた流動様式の模式図を示す．図には縮小位（b）に,置 L = 3Db, 5Db の分岐管の観察結果を（a）示す．いずれの場合も図に示すとおり鉛直方向に回転するキャビティフロー領域とその直下の乱れた領域，領域２にあたる旋回流の下降流れが観察され，その流動様式は図２で示した円管の場合と同様で（b）縮小位置 / 'Eの場合あった．また，侵入深さの周期的な変動は円管同様に観察された．

図 11

図 12 に主流平均流速 Um = 4~15m/s，分岐管を縮小管にした場合の主流の最大侵入深さ Lmax/Db を示

2018す．最大侵入深さは，分岐管内径 Db で無次元化して示した．最大侵入深さは，縮小位置 L = 3Db, 5Db合に比べ５割程度減少していた．
図 13，14 に主流平均流速 Um = 4~15m/s，分岐管を縮小管にした場合の主流の侵入深さの変動周期，変動幅を示す．変動周期は 600 秒間のビデオ動画から周期的に発生する間隔を測定し平均した．変動周期はいずれの場合も円管の場合と比べ同程度であった．変動幅は 600 秒間のビデオ動画から周期的に変動する侵入深さ Ls の変動幅を測定し，平均した結果

1614/PD['E>@のいずれの場合も，縮小部を設けていない円管の場

鉛直下向き縮小管内の流動状態

121086円管

4縮小 at / 'E2

縮小 at / 'E024681012148P>PV@

図 12

主流の最大侵入深さ（円管，縮小管）

16INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 1

5260507>V@403020円管
縮小 at / 'E10

縮小 at / 'E02468101214168P>PV@

図 13

侵入深さの変動周期（円管，縮小管）

0.5（a）拡大位置 / 'E の場合

у/'E>@0.40.30.2
円管0.1

縮小 at / 'E
縮小 at / 'E0.02468101214168P>PV@

図 14

侵入深さの変動幅（円管，縮小管）

3.1.3 拡大管
次に，円管の一部を縮小させる縮小管に加え，円（b）拡大位置 / 'Eの場合管の一部を拡大させる拡大管の観察も行った．図15

図 15に，分岐管側面からの観察結果から得られた流動様式の模式図を示す．図には拡大位置 L = 3Db, 5Db の20

L = 3Db の位
分岐管の観察結果を（a）（b）に示す．
,18置において拡大させた場合，円管の場合に観察され16たキャビティフロー直下の乱れた領域は確認できなの流動挙動は円管の場合と同じであった．いずれの場合も侵入深さの周期的な変動は円管同様に観察された．
図 16 に主流平均流速 Um = 4~15m/s，分岐管を拡大管にした場合の主流の最大侵入深さ Lmax/Db を示

14/PD['G>@

かったが，鉛直方向に回転する流れが観察された．
一方，L = 5Db の位置において拡大させた場合，そ121086

円管4

拡大 at / 'E2

拡大 at / 'E02したが，縮小管に比べると大きかった．また，より主配管に近い L = 3Db の位置において拡大させた場

4681012148P>PV@

す．最大侵入深さは，分岐管内径 Db で無次元化して示した．最大侵入深さは，円管の場合に比べ減少

鉛直下向き拡大管内の流動状態

図 16

主流の最大侵入深さ（円管，拡大管）

16

INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 153ル熱疲労を防止するため熱成層界面が曲がり部に存60在しないよう確認している．仮に曲がり部に存在し507>V@た場合，図 19 に示すとおり鉛直部に縮小部を設け，40

旋回流の先端部を鉛直部にとどめることで，熱疲労30の発生を防止することが可能となる．現状の知見では，旋回流の先端部が曲がり部に存在した場合，鉛2010円管直部の長さを変更する等で対応しているが，本知見

拡大 at / 'E

は，熱疲労を防止するための新たな手段の一つとし

拡大 at / 'Eて期待できる．

02468101214168P>PV@

図 17

侵入深さの変動周期（円管，拡大管）

0.5

у/'E>@0.40.30.2
円管0.1

拡大 at / 'E
拡大 at / 'E

図 190.02468101214

縮小部を有する閉塞分岐配管の流動挙動

168P>PV@

図 18

侵入深さの変動幅（円管，拡大管）

4. 結論合のほうがその減少幅は，大きかった．
図 17，18 に主流平均流速 Um = 4~15m/s，分岐管閉塞分岐配管を対象に分岐管形状が流動挙動に与えを拡大管にした場合の主流の侵入深さの変動周期，る影響を調べた．
流動挙動を調べた可視化実験では，変動幅を示す．変動周期は 600 秒間のビデオ動画か

これまでの円管に加え，矩形管，縮小管，拡大管をら周期的に発生する間隔を測定し平均した．変動周用いて観察を行った．その結果，得られた知見は以期はいずれの場合も円管の場合と比べ同程度であっ下のとおりである．

た．変動幅は 600 秒間のビデオ動画から周期的に変動する侵入深さ Ls の変動幅を測定し，平均した結果（1）分岐配管を矩形管にした場合，鉛直方向に回転を分岐管内径で無次元化して示した．侵入深さの変動幅 ƋL/Db は，円管の場合と同程度であった．

本研究では，分岐管内 Db = 43mm 以下の下向きするキャビティフローとその直下の乱れた領域は観察されたが，円管の場合に確認された旋回流の下降流れおよび侵入深さの周期的な変動は3.2 考察観察されなかった．また，その最大侵入深さは本報では，実機適用の観点から，矩形管に加え，円管の場合に比べ約半分となった．
（2） 矩形管の場合，L = 4De 位置において分岐管断縮小管，拡大管を用い，分岐管形状が，主流の侵入面の流動パターンを観察した．その結果，管深さおよびその変動特性に与える影響を調べた．そ全体を支配する旋回流は観察されず，複数の小さな渦が形成される流れが観察された．Lの結果，キャビティフローから領域２への遷移領域である L = 3Db, 5Db 位置で管径を縮小させた場合，= 4De 位置における管全体を支配する旋回流主流の最大侵入深さは円管の場合に比べ約半分との発生が抑制されることで，主流の侵入深さなった．１節で述べたとおり，指針では，高サイクの変動が抑制されたと考えられる．

INSS JOURNAL Vol . 22 2015 NT 1

54（3） 分岐配管の一部を L = 3Db, 5Db の位置におい眞一，小倉健志，谷本浩一，福田俊彦，南安て縮小させた場合，管内の流動挙動は通常の彦，守屋祥一，班目春樹，閉塞分岐滞留部の円管の場合と同じであり，侵入深さの周期的な変動も観察され，変動幅 ƋL/Db は円管に比熱成層化による水平管内渦侵入深さ予測（温べ増加する傾向が確認されたが，その周期は機械学会論文集 B 編 ,Vol. 71, No. 703（2005）,

円管の場合と同程度であった．しかしながら，

pp.954-961.

主流の最大侵入深さは円管の場合に比べ約半分となった．

度変動特性に及ぼす放熱条件の影響），日本（7） 谷本浩一，白石直，鈴木盛喜，小倉健志，椎名孝次，福田俊彦，南安彦，守屋祥一，滞留（4） 分岐配管の一部を L = 3Db の位置において拡部の熱成層化による高サイクル熱疲労に関す大させた場合，円管の場合に観察されたキャる研究（L1 評価手法の概要），日本機械学会

ビティフロー直下の乱れた領域は確認できな

論文集 B 編 ,Vol. 70, No. 689（2004）, pp.176‑

かったが，鉛直方向に回転する流れが観察された．一方，L = 5Db の位置において拡大さ183.
（8） 大厩徹，中村晶，長谷正紹，細川茂雄，竹中

せた場合，その流動挙動は円管の場合と同じ信幸，下向き閉塞分岐配管に生じる流動と温であった．最大侵入深さは，いずれの場合も度変動のメカニズム− 第１報 鉛直分岐配管

円管の場合に比べ減少したが，縮小管の場合に生じる流動現象−，日本機械学会論文集 Bよりは大きかった．また，侵入深さの周期的

編 ,Vol. 75, No. 749（2009）, pp.68‑76.

な変動は円管の場合と同様に観察され，その変動幅 ƋL/Db および変動周期は同程度であっ（9） 三好弘二，中村晶，土蔵孝博，杉本勝美，竹た．

中信幸，下向き閉塞分岐配管に生じる流動と温度変動のメカニズム（第４報，配管内径が侵入深さおよび変動特性に及ぼす影響），日本機械学会論文集 ,Vol. 80, No. 810（2014）,

文献

DOI:10.1299/transjsme.2014fe0026.
（1） 中森信夫，鈴田忠彦，上野隆司，笠原二郎，（10） 三好弘二，中村晶，土蔵孝博，杉本勝美，竹半沢克巳，桶谷浩一郎，鵜飼修，枝管内にお中信幸，下向き閉塞分岐配管に生じる流動ける熱成層現象，第 30 回日本伝熱シンポジウと温度変動のメカニズム（第５報，侵入深さム講演論文集，D252（1993）, pp. 646‑648.の変動メカニズムの解明），日本機械学会論（2） 関西電力株式会社，美浜発電所２号機の点検結果について（余剰抽出水系統配管からの漏えいの原因と対策），プレスリリース 1999
年 分，
〈 http://www1.kepco.co.jp/pressre/1999/0525-1j.html 〉,（参照日 2013 年９月 20日）．
（3） Nuclear Regulatory Commission, Assessmentof pressurized water reactor primary system
leaks, US NRC, NUREG / CR-6582（1999）．
（4） 日本機械学会編，配管の高サイクル熱疲労に関する評価指針，初版（2003），日本機械学会．
（5） 近藤喜之，谷本浩一，白石直，鈴木盛喜，小倉健志，椎名孝次，福田俊彦，千種直樹，守屋祥一，滞留部の熱成層化による高サイクル熱疲労に関する研究（Lsh 評価手法の概要），
日 本 機 械 学 会 論 文 集 B 編 ,Vol. 70, No. 689（2004）, pp.178‑191.
（6） 椎名孝次，河村勉，大塚雅哉，水野正，久恒

文 集 ,Vol. 80, No. 817（2014）, DOI:10.1299/
transjsme.2014fe0255.