高速増殖炉の炉容器には冷却材の高速循環流、自由液面が存在する。強い非線形性をもつ両者の相互作用により、自励振動等、液面の不安定現象が生じ得る。高速炉での液面振動は炉内構造物への熱応力付加や反応度、流量の制御に影響する。流れと自由液面との相互作用による自励振動現象にはジェットフラッタ⁽¹⁾や自励スロッシング⁽²⁾⁽³⁾が報告されている。一方、高速炉炉容器には反応度制御のための流体内構造物(UIS)も存在する。流れと流体内構造物との相互作用によるエッジトーン⁽⁴⁾は研究例も多い。しかし自由液面、流体内構造物と流れの三者を有する系における自由液面自励振動はこれまであまり報告例がない。このような系で生じる現象を把握することは工学的に重要である。本研究ではこれら三者を有する簡単な実験系で液面挙動を調査し、4種類の自由液面自励振動を観測した。これらのうち液面隆起振動は本研究で新たに発見した振動現象であったため、振動発生及び振動数を支配するパラメータを調査し、自由液面形状に着目して振動数決定機構を検討した。

　図1に示す断面を持つ装置を用いて表1に示すパラメータの組合せについて実験を行った。底面中央から流入した円形噴流はUISに衝突して流れの向きを変え、自由液面に衝突する。体系Aで実験を行った結果、4種類の振動とそれらの複合状態が観測された。以下では単一の液面振動状態で振動した4種類の振動のみについて検討する。観測された4種類の振動をそれぞれ液面隆起振動、(0,2)スロッシング及びスロッシング、スロッシングと称することとする。図2に示すように(周方向の節数,径方向の節数)で固有振動のモードを表す。液面隆起振動は(0,2)モード同様に液面中心部が周方向均一に上下するが固有振動とは一致していなかった。他の3種類のスロッシングにおける振動液面及び振動数はそれぞれ各モードの容器内流体固有振動に良く一致していた。これらの振動発生条件を図3にまとめた。

　2.1液面隆起振動 液面隆起振動はUIS挿入深さ(L)、噴流流入流速(V)が共に比較的小さい領域で生じた。Lが大きくなるにつれてより高流速条件下で発生した。流入口から流入した噴流はUISに衝突した後、UISの周りの液面に周方向均一な盛り上がりを形成する。この液面隆起は周期的に成長消滅し、振動は主にUIS近傍で生じていた。振動液面、振動数ともに容器内流体の固有振動には一致していなかった。

　2.2(0,2)スロッシング (0,2)スロッシングはL、Vが共に大きい領域で、Lが大きくなるにつれてより低流速条件下で発生した。流入噴流は振動すること無くUISに衝突し、UIS衝突後の剥離噴流が液面振動と同期して振動していた。(0,2)スロッシングでは剥離噴流は二つの節を持って振動し、自由液面ではなく内筒内壁に衝突して容器内に大きな二つの循環渦を形成する。また、実験の結果、(0,2)スロッシングではフローパターンの2次元性が重要であることがわかった。このフローパターンの類似性から、(0,2)スロッシングは「水平平面噴流による自励揺動」⁽³⁾と同一の振動発生機構を持つ現象であると考えられる。

　2.3(1,1)スロッシング スロッシングの振動発生領域はLが比較的小さく、液面隆起振動のそれよりも高流速側に位置し、スロッシングはLが30mmから100mmまでの比較的流速の小さい領域に分布した。前者では衝突噴流による液面隆起が見られたが、後者では見られなかった。いずれの振動でもUIS衝突前の噴流が振動していたが、スロッシングでは流入噴流が流入口を唯一の節として振動しており、スロッシングでは流入口以外にも節を有していた。これら振動特性に関して、前者は「ジェットフラッタ」⁽¹⁾、後者は「垂直平面噴流による自励揺動」⁽²⁾と類似しており、同一の発生機構による振動であると考えられる。

　2.4液面隆起振動に対する装置形状効果 液面隆起振動に特に注目するため、スロッシングを助長する内筒を除いた体系B、C、Dで実験を行い、装置形状効果を調べた。

　体系B内側円筒を除いた場合の振動発生領域を、体系Aの場合とあわせて図3に示した。発生領域は全体的に高流速側にシフトしてかなり広がった。

　体系C流入口-液面間距離(h)が大きくなると振動発生に必要な流速が大きくなり、その範囲もやや狭くなった。

　体系D本実験の範囲内において、水深(H)は液面隆起振動の発生領域に特に影響を与えなかった。

　2.5液面隆起振動の振動数 体系Bにおける振動数と流速の関係を図4にまとめた。UIS挿入深さ(L)、流速(V)が大きくなるにつれて振動数は低下した。液面隆起振動はUIS周囲の液面隆起の周期的な生成・消滅が特徴的な現象である。また、実験では流速が大きいほど液面隆起の最大高さが大きかった。これは流速が大きいほど振動周期が長くなったことと関係していると考えられる。Lが大きいほど振動周期が長くなることは、Lが大きいほどUIS底面から液面隆起の最高到達点までの距離が長くなるためと考えられる。このように液面隆起振動では液面形状(液面隆起高さ)も重要であると考えられる。しかし、円筒体系ではこれらの測定は困難であった。

　液面隆起高さの測定や液面形状と剥離流れとの同時可視化を行うため、図5に示す矩形体系で実験した。

　3.1噴流、自由液面の挙動 液面隆起振動発生時のUIS近傍の液面形状と剥離噴流の剥離流線の可視化結果を図6に示した。この条件下では振動周期(T)は0.9秒である。液面隆起の消滅に約、液面隆起の形成に約の時間を要している。また、液面隆起形成の際、まず剥離噴流の下流側液面(A)のみが盛り上がり、Aの液位が最大になった後、Aの液位をほぼ保った状態でUIS側壁付近の液位(B)が上昇する。これらのことから液面隆起振動は、液面隆起消滅、下流側液面隆起形成及びUIS側液面隆起形成の3つの過程に分けて考えることが可能である。これら3つの過程は実際には独立ではないが、本研究ではこれらが独立であると仮定して振動周期の議論を行った。

　3.2液面隆起高さ 図7に振動発生時の最大液面隆起高さ()を流入流速についてまとめた。はUIS挿入位置に関わらず、流入流速に比例して大きくなった。液面隆起は多くの場合、UIS側壁部で最大到達高さに達した。

　3.3振動周期

　3.3.1振動周期の分割 矩形体系での液面隆起振動の振動周期(T)を図8にまとめた。図8からUIS設置位置に関わらず、Tは(1)式で表されるVの一次関数よって一意に決定された。

　液面隆起形成及び消滅にかかる時間がそれぞれ異なっていた(図6)ことからh-L＝100[mm]の場合を例にとり、液面隆起の形成にかかる時間(T_up(EXP))と液面隆起の消滅にかかる時間(T_down(EXP))をVTRを用いて測定した(図9)。図9から、T_up(EXP)は流速、又は液面隆起高さとともに長くなり、T_down(EXP)は流速とともにわずかに長くなるものの、ほぼ一定であることがわかる。

　3.3.2液面隆起形成時間 下流側液面(図6(A))だけが隆起する際、高さ()だけ液面が重力場の自由運動によって上昇すると考えると、下流側液面隆起形成にかかる時間(T_up1)はで表される。

　次に、図10(a)に示すように、噴流及び下流側(左側)液面は変動せず、噴流とUISとの間の液面(図6(B))が上昇する過程を図10(b)の体系に置き換えて考える。剥離噴流では剥離点の近傍で流れと直角方向の速度勾配が急俊で大きな渦度を持つ。そこで剥離噴流の剥離点付近が連通口、下流部分は固体壁の役割を果すとする。剥離噴流の下流側液位は変動しない。剥離噴流の左側がタンク、右側が枝管である。UIS側液面隆起形成時間(T_up2)は枝管内液面振動の周期の半分であると考えられ、で表される。

　以上より、液面隆起形成時間(T_up(CAL))は実験値を含む(2)式で表され、T_up(EXP)とT_up(CAL)は比較的良く一致した(図9)。これより、少なくとも矩形体系で観測した液面隆起振動では、液面隆起形成時間を、下流側液面の自由運動による上昇時間(T_up1)と圧力差によるUIS側液位回復時間(T_up2)との重ね合わせで表すことができる。

　3.3.3液面隆起消滅時間 T_down(EXP)は流速及び液面隆起高さにほとんど依存しなかったため、波の伝播を考えた。液面隆起消滅時間を波の周期の2分の1とすると、T_down(CAL)は(3)式で表される。波長()、水位(h)の実験値を代入して求めたT_down(CAL)を図9に×印で示した。図9から液面隆起消滅時間は、波の伝播で説明できるといえる。これは図6のの場合にみられるように、噴流が水平方向に変向し、噴流という支えを失った液面隆起が下流側に流出していく様子からも理解できる。

　流体内構造物(UIS)、自由液面、噴流を有する円筒装置で、4種類の自由液面自励振動を観測したため、これらの振動特性を実験的に調査した。これらの内3種類は容器内流体の固有振動に良く一致し、既知の振動現象との類似性が高いことがわかった。液面隆起振動は報告例の無い振動現象で、振動の支配因子を実験により調査した。

　矩形装置を用いて実験を行い、液面隆起振動の液面形状と振動周期に関して調査した。液面隆起振動の振動周期を、剥離噴流の下流側液面隆起の形成、UIS側液面隆起の形成及び液面隆起の消滅という3つの過程に区分する簡易モデルで説明することができた。液面隆起の形成にかかる時間は、重力場における上昇運動による剥離噴流下流側の液面隆起の形成と、液位差によるUIS側隆起の形成との和と考えることができる。液面隆起の消滅にかかる時間は重力波が2分の1波長だけ伝播する時間にほぼ等しい。