| dc.description.abstract | Fisk er en effektiv kilde til viktige næringsstoffer på grunn av et rikt innhold av høyverdig protein, viktige vitaminer, mineraler og omega-3 fettsyrer, samt et lavt innhold av mettet fett, karbohydrater og kolesterol. I tillegg er fisk blant de mest effektive husdyrene å produsere grunnet lav fôrfaktor (FCR), som angir forholdet mellom mengden fôr som trengs for å øke kroppsvekten med 1 kg. Dette har gjort fiskeoppdrett til verdens raskest voksende næring innen matproduksjon, og den er ansett som en av de viktigste sektorene for fremtidig miljøvennlig matproduksjon. Den raske veksten har imidlertid ført til høyere relative klimagassutslipp og store lokale påkjenninger på havbunn og artsmangfold. Videre vekst må derfor skje på en bærekraftig måte ved bruk av innovativ teknologi som bidrar til å redusere næringens miljøpåkjenninger. Landbasert oppdrett, med særlig fokus på resirkulering av vann (RAS), er i så måte ansett som en av de mest spennende fremgangsmåtene for å redusere utslipp og avfallsprodukter tilknyttet næringen. I tillegg til økt kontroll over produksjonsforhold som temperatur, oksygen og strømningsforhold, bidrar RAS-teknologi til økt kontroll over produksjonsavfallet, betydelig redusert vannforbruk samt mindre risiko for lusepåslag.
Økt kontroll over produksjonsmiljøet medfører også et større ansvar for å ivareta fiskevelferden til arten som produseres. I motsetning til konvensjonell produksjon til sjøs, hvor oksygen tilføres og avfallsstoffer driver bort ved naturlig konveksjon, må dette skje gjennom strømningsforhold generert av eksterne energikilder. Fôr og oksygen må tilføres, samt at avfallsprodukter fra fiskens åndedrett og metabolisme må fjernes raskt for å hindre sykdomsutbrudd og sub-optimale produksjonsforhold. Måten dette blir gjort på avhenger i stor grad av strømningsmønsteret som skapes av konstant vannutskiftning i karene. Videre er det forventet at den geometriske utformingen av karene, samt plassering og orientering av inntaksrør har stor innvirkning på strømningsmønsteret, og dermed transporten av fôr og partikler i tillegg til konsentrasjonen av oksygen og giftige gasser som karbondioksid og ammoniakk. Formålet med denne masteroppgaven var å undersøke i hvilken grad den geometriske utformingen av kar, samt innløpsplassering og orientering påvirker strømningsforholdene i produksjonsmiljøet. Følgende forskningsspørsmål (FS) ble dermed formulert:
1) Hva er de viktigste egenskapene tilknyttet strømningsmønsteret i oppdrettskar?
2) Hvordan påvirker geometri og innløpsforhold strømningsmønsteret i oppdrettskar?
3) Hvordan kan numerisk modellering ved bruk av CFD bidra til å optimere utformingen av oppdrettskar?
En kombinasjon av kvalitativ og kvantitativ forskningsmetode ble benyttet for å besvare de uttalte forskningsspørsmålene. Arbeidet hadde en sekvensiell utforskende struktur, hvor et innledende litteratursøk ble utført etterfulgt av numerisk modellering ved bruk av CFD. Til slutt ble funnene fra hver sekvens vurdert i lys av hverandre for å oppnå triangulering. Funnene fra litteratursøket ble brukt som grunnlag for å besvare FS1, samt som sammenligningsgrunnlag for det kvantitative arbeidet bestående av CFD-analyser. Arbeidet omfattet validering av den numeriske modellen REEF3D, i tillegg til et parameterstudie av forskjellige utforminger av oppdrettskar for å besvare FS2. Fordelingen av tangentielle og radielle hastigheter samt strømningsmønster i primær- og sekundærstrøm ble undersøkt. Avslutningsvis ble resultatene fra de respektive metodene vurdert helhetlig for å besvare FS3.
Resultatene fra litteraturstudiet viser at miksing av inntaksvann, jevne strømningsforhold, rask fjerning av partikler og hastigheter som bidrar til mosjon av fisken er de viktigste egenskapene som kan påvirkes av strømningsmønsteret i karene. Videre fremkommer det av den numeriske analysen at geometrisk utforming i hovedsak påvirker hastigheter i primærstrømmen, mens plassering og orientering av inntaksrør har stor innvirkning på hastigheter og strømningsmønster i både primær- og sekundærstrøm. En sterk og jevn primærstrøm er særlig viktig for å unngå dødsoner med lave hastigheter som øker sannsynligheten for begroing, samt for økt mosjon av fisken som bidrar til robusthet og gode vekstforhold. Sekundærstrømmen har særlig stor innflytelse den radielle transporten av partikler og miksing gjennom vannsøylen. Turbulens og sterke virvler bidrar til økt miksing, mens tilstrekkelige radielle hastigheter mot utløp er avgjørende for rask fjerning av partikler.
Avhandlingen presenterer et modus operandi for analyse av strømningsbildet i landbaserte oppdrettskar. Med nøyaktige og beregningseffektive numeriske modeller kan primær- og sekundærstrømmer som oppstår grunnet tangentielt vanninntak i de lukkede karene studeres i detalj til en relativt billig kostnad. Ved å kvantifisere virkningene av forbedret hydrodynamikk i oppdrettsmiljøet, kan det bli gitt en mer helhetlig vurdering av karutforming og anleggsdesign, som kan hjelpe konsulenter og entreprenører med å ta bedre beslutninger i tidligfasen av prosjekter. | |
| dc.description.abstract | Fish is an effective source of important nutrients due to large contents of high-quality protein, essential vitamins, minerals and omega-3 fatty acids, as well as a low content of saturated fat, carbohydrates and cholesterol. In addition, fish production is among the most efficient due to a low feed conversion rate (FCR), which specifies the ratio of required feed to increase the body weight by 1 kg. Consequently, fish farming is the world's fastest growing food producing industry, and it is regarded as an important sector for meeting the demands of an ever increasing world population in a sustainable way. The rapid expansion has however contributed to increased per unit GHG emissions as well as increased the demands of coastal habitats and the seabed locally, and thus further expansion must be managed in more sustainable ways using innovative technology to help reduce the environmental impact. Land-based recirculating aquaculture systems (RAS) is considered one of the most promising approaches to reduce emissions and waste products associated with industry. In addition to increased control over production conditions such as temperature, oxygen and flow conditions, RAS technology enables better handling of waste products, greatly reduced water consumption and less risk of lice outbreaks.
With increasing control over the production environment, a greater responsibility to safeguard the welfare of the produced species is required. Unlike conventional fish farming at sea, where oxygen is supplied and waste products are removed by natural convection, a healthy environment must be imposed by flow conditions generated by external energy sources. Feed and oxygen must be added, and waste products from respiration and metabolism must be removed quickly to prevent disease outbreaks and sub-optimal production conditions. The transport of inputs and outputs largely depend on the flow pattern created by a constant water exchange through the tanks. Furthermore, the geometric design of the tanks, as well as the location and orientation of inlets are expected to significantly influence the flow pattern, and thus the transport of feed and particles as well as concentrations of oxygen and toxic gases such as carbon dioxide and ammonia. The purpose of the present thesis was to investigate to what extent the geometric tank design, as well as placement and orientation of inlets affect the flow conditions within the production environment. Consequently, the following research questions (RQ) were formulated:
1) What are the most important hydrodynamic features of land-based aquaculture tanks?
2) How does geometry and inlet conditions influence the tank hydrodynamics?
3) How can numerical modelling by use of CFD contribute to optimization of land-based aquaculture tanks?
Mixed methods of qualitative and quantitative research were applied to answer the stated research questions. The work was structured in a sequential exploratory way, where an initial scoping literature review was conducted followed by numerical modeling using CFD. Finally, the findings from each sequence were evaluated simultaneously to achieve triangulation. The findings of the review were used as a basis to answer RQ1, as well as benchmark data for the CFD analyses. The qualitative work included validation of the numerical model REEF3D, in addition to a parameter study of various tank designs to answer RQ2. The distribution of tangential and radial velocities as well as primary- and secondary flow patterns were investigated. In conclusion, the answer to RQ3 was made based on a holistic evaluation of the results from the respective research methods.
The findings of the scoping literature review show that sufficient mixing of the inlet flow, uniform flow conditions, rapid flushing of solids and high velocities contributing to fish exercise are the most important hydrodynamic features in aquaculture tanks. Furthermore, the results of the numerical investigation show that the geometric design mainly influences primary flow velocities, while the inlet configuration have major influence on velocities and flow patterns in both the primary- and secondary currents. A prevalent and steady primary flow is especially important to avoid quiescent zones of low velocities that promote biofouling growth, in addition to fish exercise which increases the robustness and growth rates of the fish. The secondary flow is particularly important for the radial transport of particles and mixing throughout the water column. Turbulence and prominent vortices contribute to increased mixing, while sufficient radial velocities towards outlets are crucial for rapid flushing of solids.
The thesis provides a modus operandi for analysis of hydrodynamics in land-based aquaculture tanks. By applying accurate and computationally efficient numerical models, the primary- and secondary flows occurring due to tangential inflow in an enclosed environment can be studied in great detail at a relatively cheap investment costs. By quantifying the effects of improved hydrodynamics within the rearing environment, a more holistic assessment of facility design may be provided, thus guiding design engineers and contractors into making better decisions in the early phase of projects. | |
