蒸気爆発の素過程における液体金属塊の分裂-飛散の数値解析

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研究代表者らが独自に開発したMPS法は、粒子を用いた数値シミュレーション法であり、流体の分裂・合体を容易に扱うことができる。これまでの研究では、MPS法における相変化を伴う多相・多成分流れの計算手法を開発した。さらにこれを用いて蒸気爆発素過程の数値シミュレーションを行ない、液体金属の熱的細粒化がCiccarelli-Frostモデルのシナリオ通りに生じることが示されたた。また、Kim-Corradiniモデルのシナリオは生じなかった。そこで本研究では、上記の結論の成立する範囲を調べるべく、様々なパラメータで計算を行ない、以下の成果を得た。1.Ciccarelli-Frostモデルでは液体金属がフィラメント状に飛び出すことによって細粒化すると想定している。本数値シミュレーションでは水ジェットが液体金属プールに衝突する解析を行い、水ジェットの中間位置で液体金属のフィラメントが発生した。ジェット流体の密度を仮に液体金属と同程度まで重くすると、Kim-Corradiniモデルで想定されているようなジェットの潜り込み現象が見られた。従って、どちらのモデルが成立するかは、ジェット流体とプール流体の密度の比で決まることが分かった。「水-液体金属」の組み合わせはCiccarelli-Frostモデルの成立する範囲に入っている。2.相変化が細粒化に与える影響を調べたところ、通常の蒸気発生では細粒化が加速されないことがわかった。これはフィラメントの上昇速度が、水ジェットが液体金属に衝突する瞬間で決まってしまい、通常の蒸発はこれにくらべて時間がかかるためである。自発核生成による急速蒸発現象をモデル化して計算したところ、細粒化は大きく促進された。小規模蒸気爆発実験では、自発核生成が蒸気爆発の必要条件であることが分かっており、本シミュレーション結果はこれをうまく説明することができる。