AbstractThe utilization of FLiBe (LiFBeF2) free-surface flow as a chamber protection scheme is considered in advanced nuclear fusion reactor. At the design of the nuclear fusion reactor from the viewpoint of thermofluid research, it would be very important to understand the influence of a magnetic field in turbulent free surface flow. On the other hand, turbulent free surface flow (called open channel flow) by direct numerical simulation (DNS) with non-deformable surface was first succeeded by imposing free-slip and non-slip conditions as velocity boundary conditions at the upper and lower, respectively. After that, the research by DNS has been advanced more, it has been clarified that turbulent structures generated from the lower wall travels to the free surface and affected the mechanism of heat and mass transfer at the free surface. The behavior of the structures is affected by the strong magnetic field in the nuclear fusion reactor. Therefore, a DNS of liquid film cooling in the nuclear fusion reactor is performed by authors, and the relations between a magnetic orientation and turbulent flow statistics are clearly observed. In this paper, the DNS result is introduced, and the trial turbulence modeling for MHD free-surface flow by using the DNS database is also discussed.
FLiBe（LiF–BeF₂）自由表面流れの利用は、先進核融合炉におけるチャンバー保護方式として検討されている。熱流体研究の観点から核融合炉を設計する際、乱流自由表面流れにおける磁場の影響を理解することは極めて重要である。一方、非変形自由表面を有する乱流自由表面流れ（開水路流れと呼ばれる）の直接数値シミュレーション（DNS）は、上部に自由滑り条件、下部に非滑り条件を速度境界条件として課すことにより、初めて成功した。その後、DNSによる研究はさらに進展し、下部壁面から生成される乱流構造が自由表面まで伝播し、自由表面における熱・物質輸送機構に影響を及ぼすことが明らかにされた。この構造の挙動は、核融合炉内の強磁場によって影響を受ける。そこで著者らは、核融合炉における液体膜冷却のDNSを実施し、磁場の方向と乱流統計量の関係を明瞭に示した。本論文では、このDNSの結果を紹介するとともに、DNSデータベースを活用したMHD自由表面流れに対する乱流モデリングの試みについても議論する。