Study of a novel fish farm concept consisting of a large-volume spar and nets

Abstract

I løpet av de siste par årene har det dukket opp mange nye konsepter for produksjon av laksefisker. Mye på grunn av Fiskeridirektoratets utdelinger av utviklingstillatelser. Mange av disse konseptene er komplekse konstruksjoner bestående av stor-volum komponenter og not, med slakk forankring, som videre er planlagt å være plassert offshore. Hensikten med denne oppgaven var dermed å studere et eksempel av en slik konstruksjon og videre se på samhandlingen mellom stor-volum komponenten og omringende not, både i bølger og i strøm.

Dette temaet ble studert ved å gjennomføre både eksperimentelle forsøk og numeriske utregninger på et slakt forankret fiskeoppdrett, bestående av en stor-volum sentersøyle, omringet av et åttekantet rammeverk som not-panelene videre var festet i. For å kunne studere påvirkningen noten har på stor-volum konstruksjonen, så ble alle eksperiment og utregninger gjennomført med og uten not.

De eksperimentelle resultatene fra slepetestene viste at drag kreftene på fiskeoppdrettet ble doblet når not var festet på. Disse resultatene ble videre støttet av numeriske utregninger. De numeriske utregninger viste videre at når not var festet på, så stod noten for majoritet av drag kreftene, da noten reduserte kreftene på de andre konstruksjonsdelene. Det ble videre funnet numerisk at implementeringen av reduksjonsfaktorer, for å ta i betraktning påvirkningen fra noten på strømingen, var essensielt for å estimere drag kreftene riktig. I tillegg ble det funnet ut at å ta hensyn til sentersøylens påvirkning på strømningen resulterte i økte krefter på noten, samtidig som det ga mer nøyaktige resultat.

Fra de eksperimentelle forsøkene i regulære bølger ble det funnet at noten resulterte i mindre bevegelser, i tillegg til å endre fasene til bevegelsene noe. Hovedsakelig på grunn av økt demping. Dette førte videre til reduserte oscillerende og midlere krefter på forankringssystemet. Selv om de midlere kreftene i bølger ble redusert med not, så var de likevel fortsatt i samme størrelsesorden som drag kreftene i strøm for fiskeoppdrettet med not. De midlere drift-kreftene fra bølger bør derfor fortsatt tas hensyn til, for eksempel ved dimensjoneringen av forankringssystemet til en slik konstruksjon. Fra de numeriske utregningene i regulære bølger ble det oppnådd resultater som pekte i retningen av at mer nøyaktige utregninger kan bli oppnådd, dersom man tar hensyn til det diffrakterte bølgeprofilet fra stor-volum konstruksjonen, når man regner kreftene på omringende not og søyler. Med tanke på noten, så ble det gjennomført en numerisk sammenligning der resultatene indikerte at kreftene på noten øker når man tar hensyn til diffraksjon. Mest sannsynlig som et resultat av hastighetsøkning rundt sentersøylen og endrede innstrømningsvinkler på noten.

Det blir derfor konkludert med at det vil være flere samhandlingseffekter mellom not og en stor-volum konstruksjon i nærheten av hverandre og noen av disse interaksjonene har blitt identifisert og kvantifisert både numerisk og eksperimentelt i denne oppgaven.

For the last couple of years a lot of new fish farm concepts have emerged as a result of the granting of development licenses by the Norwegian Directorate of Fisheries. Several of which are complex structures consisting of large-volume components and nets, with slack mooring, planned to be located offshore. The purpose of this thesis has therefore been to study an example of such as structure and to asses the interaction between a large-volume structure and surrounding nets, both in regular waves and in current.

This subject was studied by performing both experimental tests and numerical calculations on a slack moored fish farm consisting of a large-volume spar in the centre, encircled by an octagonal framework, to which net-panels were attached. In order to study the influence nets have on the large-volume structure, all experiments and calculations were performed with and without nets.

The experimental results from the towing tests found that the drag of the fish farm was approximately doubled when nets were attached. These results were supported by numerical calculations. The numerical calculations further suggested that the nets themselves, when attached, comprise of the majority of the drag, as they reduced the drag on the other structural components. It was further found numerically that implementation of reduction factors to account for the influence of the nets on the flow, was essential to estimate the drag correctly. In addition it was found that taking into account the presence of the spar with respect to the flow, resulted in increased forces on the nets and more accurate numerical results.

From the experimental tests in regular waves there were found that the nets resulted in reduced motions, in addition to slightly alter the phases, mainly due to increased damping. This further resulted in smaller oscillatory and mean forces acting on the mooring system, with nets attached. However even though the mean forces were reduced with nets, it was found that they still were in the same order of magnitude as the drag forces in current, and should therefore be considered, for instance in the dimensioning of the mooring system. From the numerical calculations in regular waves there were obtained some results indicating that more accurate results might be achieved if the diffracted wave pattern from the large-volume structure is taken into account on the surrounding nets and columns. With respect to the nets, a numerical investigation was performed, in order to take a closer look into how the forces on the nets change if diffraction of the centre spar is taken into account, compared to assuming undisturbed waves. The results pointed towards the forces on the net-panels being increased, when taking diffraction into account. Likely a result of altered inflow angles and speed-up around the spar.

It is therefore concluded that there are several different interaction effects between nets and a large-volume structure in proximity of one another and some of these interactions have been identified and quantified both numerically and experimentally in this thesis.