CFD Study of Flow and Water Exchange for Cases Relevant to Semi-Closed Aquaculture Structures

Abstract

For å tillate bærekraftig fremtidig vekst må havbruksnæringen møte ulike utfordringer. Lakselus er en av disse utfordringene. Semi-lukkede løsninger har blitt relevant de siste årene fordi de gir bedre kontroll over det interne miljøet. Selv om innføringen av ny teknologi kan bidra til å løse eksisterende problemer i bransjen, kan den også introdusere nye utfordringer.

Denne oppgaven fokuserer på å studere strømning og vannutskifting for tilfeller som er relevante for semi-lukkede oppdrettsstrukturer. Målet med denne studien er å øke forståelsen av det indre miljøet i semi-lukkede oppdrettsstrukturer generelt, med et ekstra fokus på det semi-lukkede oppdrettskonseptet Hydra. Videre blir resultatene diskutert i lys av fiskevelferd.

CFD-simuleringer ble utført på forskjellige tilfeller for å forbedre forståelsen av det interne miljøet i semi-lukkede akvakulturstrukturer. Tilfellene inkluderer strømning i et rektangulært og sirkulært åpent hulrom med og uten hjelpesystemer i form av folier. Hydra er en merd med åpen bunn hvor vannutskiftning skjer gjennom interaksjon med ytre strømning. Dette er grunnen til at hulrom med åpen bunn ble valgt som grunnlag for disse tilfellene.

For alle tilfeller ble hastighetsfordeling og trykkfordeling i volumet undersøkt, sammen med strømlinjesporing for bedre å identifisere ulike sirkulasjonssoner. Videre ble vannutskiftningsparametere som volumstrøm inn og ut av hulrommet, gjennomsnittlig volumstrøm og gjennomsnittlig vannutskiftningstid beregnet for alle tilfeller. For å få en bedre forståelse av hvordan vannmasser oppfører seg i forskjellige deler av volumet over tid, ble partikkelsporing utført for noen av simuleringene.

Resultatene viser økt og mer jevn utskifting med implementerte hjelpesystemer. Vannutskiftningstiden reduseres ved implementering av foil under det rektangulære hulrommet, spesielt når foilen er plassert ved oppstrøms ende av hulrommet. I tillegg bryter foilen opp de naturlige sirkulasjonsmønstrene i hulrommet og øker partikkelutskiftingen. Simuleringer på det sirkulære hulrommet viser utilstrekkelig vannutskifting uten hjelpesystemer.

Det konkluderes med at hjelpesystemer er nødvendige for å justere det indre miljøet i semi-lukkede oppdrettsstrukturer for å møte fiskens biologiske behov. Videre konkluderes det med at vannutskiftningstid alene som parameter ikke kan beskrive vannutskiftingen i et volum, da den ikke identifiserer hvilke deler av volumet som skiftes ut. For å identifisere dette, samt lokale stagnasjonsområder, er systematisk partikkelsporing et verdifullt hjelpemiddel. Denne studien forbedrer forståelsen av strømning og vannutskifting i semi-lukkede geometrier. Den gir et grunnlag for fremtidig forskning på strømning i semi-lukkede geometrier og for en potensiell ny masteroppgave med fokus på det indre miljøet i Hydra.

In order to allow sustainable future growth, the aquaculture industry must confront various challenges. Lice infestation is one of these challenges. Semi-closed solutions have become relevant because they enable better control over the internal environment. While the adoption of new technology can help address existing industry issues, it can also introduce new challenges.

This thesis focuses on studying flow and water exchange for cases relevant to semi-closed aquaculture structures. The objective of this study is to enhance the understanding of the internal environment within semi-closed aquaculture structures in general, with an additional focus on the semi-closed aquaculture concept Hydra. Furthermore, the results are discussed in the context of fish welfare.

CFD simulations were conducted on various cases to enhance the understanding of the internal environment in semi-closed aquaculture structures. The cases include flow in rectangular and circular open cavities with and without auxiliary systems in the form of foils. Hydra is a cage with an open bottom where water exchange occurs through interaction with external flow. This is the reason why open-bottom cavities were chosen as the basis for these cases.

For all cases, velocity distribution and pressure distribution within the volume were examined, along with streamline tracing to better identify various circulation zones. Furthermore, water exchange parameters such as volume flow into and out of the cavities, mean volume flow, and average water renewal time were calculated for all cases. To gain a deeper understanding of how water masses behave in different parts of the volume over time, particle tracing has been performed for some of the simulations.

The results show increased and more uniform exchange with implemented auxiliary systems. Water renewal time decreases with the implementation of a foil to the rectangular cavity case, especially when the foil is located at the upstream end of the cavity. Additionally, the foil disrupts the natural circulation patterns in the cavities and increases particle exchange. Simulations on the circular cavity show insufficient water exchange without auxiliary systems.

It is concluded that auxiliary systems are necessary to adjust the internal environment in semi-closed aquaculture structures to meet the biological requirements of the fish. Furthermore, it is concluded that water renewal time alone as a parameter may not fully describe the water exchange in a volume, as it does not identify which parts of the volume are exchanged. To identify this, as well as local stagnant areas, systematic particle tracing is a valuable measure. This study improves the understanding of flow and water exchange in semi-closed geometries. It provides a basis for future research on flow in semi-closed geometries and for a potential new master's thesis focusing on the internal environment in Hydra.