サーマルストライピング — CAE用語解説

サーマルストライピングは、温度が異なる複数の流体ジェットが配管の壁面に交互に接触して、壁の表面温度が高速に変動する現象だ。例えば高温の主配管に低温の枝管が合流する部分で起きやすい。この温度変動が数Hzから数十Hzの高い周波数で繰り返されるから、高サイクル熱疲労を引き起こすんだ。

まさにそう。温度振幅が数十℃程度でも、10⁷回を超えるサイクルになれば亀裂が発生しうる。実際にフランスのCivaux原発で1998年にサーマルストライピングが原因の配管漏洩事故が起きて、世界的に注目されたんだ。

CFDで温度変動を捉えるには、非定常解析でNavier-Stokes方程式を時間発展させる必要がある。特に乱流混合の再現にはLES（Large Eddy Simulation）が有効だ。

RANSは時間平均した結果しか出せないから、壁面の温度変動の振幅と周波数を正確に捉えられない。サーマルストライピングの評価では変動成分そのものが重要だから、LESかDNSが必要になる。ただしメッシュと時間刻みの要求が厳しいので、まずは合流部だけ切り出した部分モデルから始めるのが現実的だよ。

• 熱疲労
• 混合
• 非定常

そうだね。CFDで壁面温度の時刻歴を取得して、それを熱荷重として構造の過渡解析にマッピングする。そこから応力振幅を求めてS-N曲線で寿命を評価するのが標準的な流れだ。配管のT字合流部を設計するときは、ぜひこのワークフローを試してみてくれ。