報告書番号

O18009

タイトル（和文）

放出源の有効高さを求めるための数値モデルの高度化 -LESを用いた風洞実験再現精度の向上-

タイトル（英文）

Development of a numerical model for evaluating effective stack height -Accuracy improvement by means of LES -

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

背 景
原子力発電所の安全解析では，放出源の有効高さを評価することが求められる．評価には一般的に風洞実験が用いられるが，これを数値モデルに置き換えることで期間・コストの低減が可能であると期待されている．そこで，当所において数値モデルが開発され，その成果を基に日本原子力学会から数値モデルによって放出源の有効高さ評価を行う際の実施基準（以降，数値モデル実施基準）が刊行された．しかし，レイノルズ平均乱流モデル（RANS）に基づいた従来の数値モデルでは気流・拡散現象の再現精度に限界があり，数値モデルの活用が十分に進んでいない．

目 的
RANSに比べて精度向上が期待できるラージ・エディ・シミュレーション（LES）に基づいた数値モデルを開発し，モデル検証および風洞実験結果による妥当性確認を行う．

主な成果
1. 数値モデルの開発およびモデル検証
3次元非構造格子をベースにした有限体積法を用いて，LESによる気流・拡散計算が可能な数値モデルを開発した．直方体格子をベースとした非構造格子を採用することで，複雑な地形・建屋の形状再現精度と安定的な計算実行を両立した．LESのモデリングには，地表面近傍の非等方な乱れを考慮できる1方程式モデルを用い，数値モデル実施基準によって定められたモデル検証に関する条件を全て満足することを確認した．

2. 風洞実験結果による妥当性確認
風洞実験において放出源の有効高さを評価する際と同様に，平地実験および模型実験の2種類の拡散計算を行った．それぞれの拡散計算によって得られた濃度を風洞実験結果と比較したところ良く整合していた．欧州では，数値モデルの結果が比較対象とする実験結果に対して0.5～2.0倍に収まる割合を示すFAC2，数値モデルの結果が実験結果に対して過大または過小のどちらの傾向にあるかを示すFB，数値モデルの結果と実験結果の差異の大きさを示すNMSEおよびNADの各評価指標について基準が提示されており，これらの基準を優れたスコアで満足することを確認した．
また，平地実験および模型実験の結果から放出源の有効高さを評価して風洞実験結果と比較したところ，数値モデル実施基準に定められた条件を満足しており，さらに従来の数値モデルに比べて変動係数が小さいことを確認した．

概要 （英文）

A numerical model for evaluating effective stack height was reconstructed by means of Large Eddy Simulation (LES) to replace present numerical model by means of Reynolds-averaged-Navier-Stokes (RANS) turbulence modeling. For the safety analysis of nuclear power plants, calculating concentrations of radioactive exhaust gas based on Gaussian dispersion model is carried. The effective stack height is introduced to consider the terrain effect and the downwash effect caused by surrounding terrain and buildings in plants. A wind tunnel measurement has been used to evaluate the effective stack height for a long time. A biggest reason to develop the numerical model is cost reduction and timesaving by replacement for the wind tunnel measurement. However, the numerical model with RANS has not been used widely because the RANS turbulence model has limitation on accuracy of turbulent diffusion. In this paper, the new numerical model with LES was developed and validated with a wind tunnel data. The finite-volume-method with unstructured grid was employed with our model to keep a balance with representation of complex terrain and numerical stability. An anisotropic one equation model was used to model sub grid scale motion for accurate prediction of anisotropic turbulence near ground surface. A validation process was following to a guideline of using numerical models to evaluate effective stack height which was published by the Atomic Energy Society of Japan. From the results, not only the effective stack height but ground concentration calculated from our numerical model was well corresponding with the wind tunnel data.

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