articulo de abulon.pdf
TRANSCRIPT
Análisis de la ingeniería de un sistema de jaulas de acuicultura
de abulón sumergible para implementación en entornos marinos
expuestos.
Resumen
Puede existir gran potencial en el desarrollo de la acuicultura
de abulón en ambientes marinos subutilizados, expuestos. Abulón es
un marisco que alimenta de algas y como producto, a menudo puede
hacer alto valor de mercado. En este estudio, se describe el
desarrollo de un sistema de engorda de abulón de tamaño comercial,
sumergible jaula con una estructura modular de la caja. Las
características del campo de flujo dentro de la estructura de
contención de abulón se analizaron con software dinámica de fluido
computacional. Se investigó la respuesta hidrodinámica de la estructura de contención
amarrado con un modelo de elementos finitos de tipo de ecuación de Morison que simula la
interacción fluido-estructura. Medio ambiente obligando a entrada para el modelo consistió
en las condiciones que representan combinaciones de corrientes con una magnitud de 1.0 m
de carga/mares s e irregular con una altura de onda significativa del período 8,01 m y pico
de 12,52 s. simulaciones fueron realizados con el modelo de jaula de abulón en
configuraciones de superficie o sumergidas. De las simulaciones, las cargas del accesorio
fueron determinadas y utilizadas en un modelo estructural para el cálculo de las tensiones
locales. Análisis estructural de la implementación y la operación de recuperación también
fue investigada. Los resultados indican el título de importancia una combinación de detallado
análisis estructural/flujo hidrodinámico en el marco de diseño para evitar fallos catastróficos
de sistemas de cultivo de abulón.
INTRODUCCION
Como la tasa de explotación en todo el mundo de la captura pesquera con-
continúe, el desarrollo de la acuicultura sostenible prácticas de stocks. Estas
prácticas deben considerar no sólo minimizar el impacto sobre el medio
ambiente, pero también ser económicamente viable. La acuicultura de moluscos
a menudo es vista como un área lógica de desarrollo, ya que los aspectos de
producción minimizan el impacto ambiental. Peces carnívoros, por el contrario,
tienen necesidades nutricionales que a menudo requieren proteínas y grasas que
tienen, ha adquirido en el pasado, por la pesca. A pesar de que el proceso de
desarrollo de alimento para peces está evolucionando para incluir más
ingredientes sostenibles (ver, por ejemplo, Allan et al., 2000; Carter y Hauler,
2000; Turchini et al., 2010), los crustáceos no tienen esta necesidad.
Una demanda para la carne del Abulón existe en Corea meridional donde
cosecha Costa de animales salvajes ha aumentado de 2062 MT en 2005 a 6228
MT en 2010 (FAO, 2012). El Abulón de mar se cultiva también en Corea del
sur, particularmente en las aguas costeras de las provincias de Jeonnam, en
Haliotis, Discus hannai es la especie más común. Aguas costeras coreanas, sin
embargo, han sido contaminadas por muchas fuentes antropogénicas que
afectan los niveles de oxígeno disuelto (OD). Por ejemplo, se ha demostrado
por Choi et al., (2013), que con los niveles en una granja cerca de olmo de Costa
puede caer tan bajo como 40% de saturación (4,0 mg/L). Por lo tanto, para
expandir las operaciones de acuicultura de abulón, una opción es considerar más
expuestos, a menudo bajo utilizados sitios donde es mejor hacer intercambio.
Estos sitios, sin embargo, pueden ser sometidos a condiciones de alta energía
que incluyen fuertes corrientes oceánicas y los mares irregulares, especialmente
aquellos relacionados con eventos de tifón.
En este estudio, el desarrollo de una estructura de la granja de abulón se describe
y analizados usando computadoras avanzadas técnicas de modelado. El uso de
ordenador "estándar" herramientas de modelado es cada vez más frecuente para
el diseño y análisis de estructuras de acuicultura marina. Tal vez una de las
primeras aplicaciones fue realizada por Gignoux y Messier (1999) utilizando
una versión de ABAQUS que introdujo el concepto de mapeo de coeficientes
de elementos viga para representar mallas red densa con menos elementos.
Helsley y Kim (2005) realizan simulaciones de dinámica de fluidos
computacional (CFD) con un código de diferencias finitas llamado FLOW3D
con difusión descendente de un sistema de jaula rígida bicónico.
Los resultados indicaron que incluso en ángulos de inclinación pequeños, una
mezcla mejorada ocurrió. Fredriksson et al (2007a) aplica técnicas de análisis
estructural con MSC. Elementos finitos de MARC modelado software (FEM)
para evaluar la tubería de plástico de polietileno de alta densidad para
aplicaciones marinas.
En este estudio, se describe el diseño de un sistema sumergible de jaula para
engorda del abulón con un tamaño comercial teniendo una estructura modular
de la caja para la aplicación de la implementación de sitios expuestos. Puesto
que el abulón se contiene en estructuras de cajas densamente, fluidez de
benefíciate es una cuestión de diseño importante. Se realizaron análisis de
modelamiento numérico con CFD a las características de determinado flujo
adecuado a través del contenedor.
2. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA
El sistema de tamaño comercial del abulón en jaula sumergible para la engorda,
es una estructura modular de la caja como se muestra en la figura 1. La jaula
sumergible abulón examinada en este estudio puede moverse verticalmente con
la columna de agua ajustando las fuerzas peso y flotabilidad. Se levanta a la
superficie mediante la inyección de aire comprimido en tanques de lastre. Una
vez en la superficie, los módulos pueden ser inspeccionados, limpiados y los
animales alimentados. Finalizadas las operaciones de cría, se libera el aire de
los tanques de lastre y la estructura se sumerge durante aproximadamente 7-10
días. Los detalles del mecanismo de inmersión se proporcionan en Kim et al
(2010, 2011, 2012, 2014a).
Figura 5. Vista en perspectiva de dominio de la simulación y las condiciones de contorno (unidad: mm).
Figura 6. Sistema de coordenadas del dominio de simulación.
Esta fue una consideración de diseño importante en un esfuerzo para mantener
organismos ensuciamiento de los gabinetes para reducir al mínimo la alteración
de las características hidrostáticas y flujo a través de la estructura de la
explotación de abulón. El sistema fue diseñado para el despliegue en una zona
con profundidad de 30 m. Los envases individuales tienen dimensiones de 2,4
m x 2,4 m × 3 m y el espacio entre los armarios es 0,9 m. La jaula sumergible
abulón consta de 16 gabinetes, como se muestra en la figura 1, y 16 refugios de
plástico están instalados dentro de cada gabinete (Fig. 2). El superior, inferior y
partes laterales del gabinete son todo sur-rodeado de red de nylon (Td 210 × 9,
tamaño de acoplamiento: 30 mm, diámetro de hilo: 2 mm).
3. ENFOQUE DE MODELADO NUMÉRICO
3.1. Modelo de flujo de fluidos
3.1.1. Ecuaciones que gobiernan
El patrón de flujo (3D) tridimensional dentro y alrededor de los gabinetes se
analizó con el programa CFD 14.0 fluido de ANSYS Inc. como se describe en
FLUENT (2011). Condiciones de estado estacionario se asumieron para los
cálculos de flujo con el k-ε estándar aplicado como el modelo de turbulencia.
Continuidad y la Reynolds promedio, Navier-Stokes (RANS) se usa para el
análisis. La viscosidad de remolino turbulento (t) puede ser determinada
mediante la aplicación de la turbulencia en el modelo estándar k-ε,
donde C𝜇 = 0.09 es una constante del modelo. En la ecuación (1), la energía
cinética turbulenta (k) y la tasa de disipación de energía cinética turbulenta (ε)
se simulan mediante dos ecuaciones de transporte. Las ecuaciones de transporte
para k-ε,
Figura 7. Generación de red para el dominio de simulación.
3.1.2. modelo poroso
Las paredes permeables de gabinete (acoplamiento-como la estructura) fueron
representadas usando un modelo de medios porosos en Patursson et al (2010).
La resistencia del flujo de las paredes del gabinete se introduce en las
ecuaciones que gobiernan como fuerza externa como,
donde Dij𝜇uj y Cij 1
2𝜌|u|uj son la pérdida de viscosidad y pérdida de inercia
plazo, respectivamente. DIJ y Cij se prescriben matrices de los coeficientes de
resistencia de medios porosos,
donde Dn es un coeficiente de resistencia viscosa normal, Dt es el coeficiente
de viscosidad tangencial, NC es el coeficiente de resistencia inercial normal y
Ct es el coeficiente de resistencia inercial tangencial.
3.1.3. límite y condiciones iniciales
Las simulaciones se realizaron sin la de inclusión del abulón o macro-algas
dentro del contenedor y ensuciar en la estructura externa. Se realizó el análisis
CFD para, (Case 1) dos casos donde el flujo entrante actúa perpendicular a las
placas y (caso 2) donde actúa la dirección del flujo a lo largo de 6 hojas de placa
de polietileno (Fig. 4). El tamaño del dominio de modelo computacional para la
simulación de cada era 20 m × 20 m × 10 m con condiciones de límite se
describe en la figura 5. El sistema de coordenadas del dominio del modelo fue
fijado con Z como la dirección vertical (Fig. 6). Para determinar el coeficiente
de fricción de la red como se describe en el término de pérdida viscoso en la
ecuación (3) se aplicó el enfoque menos absoluto de error normalizado (carril).
Valores para los coeficientes de fricción de medios porosos, como se describe
en la ecuación (7), fueron establecidos para los mismos valores como reportado
por Patursson et al (2010): Dn = 51, 730 m−2, Dt = 26, 379 m−2, Cn = 5.0980
m−1, Ct = 1.6984 m−1. El dominio computacional fue discretizar en 32,190,562
células tetraédricas (Fig. 7). La velocidad inicial del flujo al principio del
análisis fue fijada a 0.5 m/seg.
3.2. modelo hidrodinámico y estructural
3.2.1. condiciones de carga general
Un modelo estructural del sistema de jaula que se muestra en la figura 1 fue
construido para el análisis en un modelo de elementos finitos y de interacción
fluido estructura. La jaula de abulón se somete a cargas de gravedad dentro y
fuera del agua, la flotabilidad de los componentes y onda y obligando a actual.
Una de las más importantes cargas de gravedad se produce cuando se levante
antes y después de la implementación. Una vez colocado en el agua, flotabilidad
contrarresta el peso de la carga. Parámetros de flotabilidad se calculan en base
a las propiedades de la geometría y material de la jaula. Las condiciones de
carga aplicada en este estudio fueron (1) corrientes (2) ondas irregulares, (3)
una combinación en la línea de ondas irregulares y corrientes y (4) estática de
carga "en el aire" como si ser desplegado o recuperado. De las 4 condiciones de
carga, la peor situación se determinó por análisis estructurales.
Tabla 1 geométrica y propiedades del material del gabinete y marcos
* Arrastrar/inercia en el plano horizontal está deshabilitada para estos elementos debido a efectos de sombreado. ** Arrastre e inercia están habilitados sólo en los paneles de jaulas frente debido a efectos de sombreado.
3.2.2. geométricas y las características materiales
El sistema de jaula de abulón que se muestra en la figura 1 consta de una
combinación de 4 × 4 contención configuraciones de módulos conmutados
montados dentro de un marco. El gabinete y el marco son una intrincada
combinación de varios tipos de miembros estructurales con cualquiera de los
dos conexiones o conexiones soldadas. Que representa el sistema de jaulas de
abulón para la interacción fluido-estructura y análisis estructurales requiere no
sólo atención a detalle, pero concesiones debido a limitaciones del equipo
herramientas de modelado. El enfoque de modelado utilizado primeros intentos
para construir un modelo de un módulo de contención singular rodeado por un
marco (ver figs. 9-11). Esto se hizo para que simulaciones ampliadas para
configuraciones de módulo de 4 × 4 fueron construidas basados en el modelo
"singular". El modelo que se muestra en la Fig. 12 cuenta con 16 módulos de
contención y estructura. El gabinete módulo y marco modelo los detalles se
muestran en figs. 9 y 10, respectivamente. La combinación de módulo y marco
de gabinete se muestra en la figura 11. La red que se muestra en detalle en Fig.
9b fue modelada con elementos de truss con masa apropiada, las áreas
proyectadas y características hidrodinámicas de la red utilizada en el campo. En
este caso, las placas de PE (es decir, refugios) no fueron colocadas en los
gabinetes. Esta decisión fue tomada porque desde la perspectiva operacional,
habría sido poco probable que estos componentes hubieran seguido siendo
intactos, representar una situación difícil de representar en el modelo de la
ecuación de Morison.
3.2.3. hidrostáticas características
Antes de realizar cualquier tipo de análisis de estructura de fluidos o estructural
es necesario verificar las características hidrostáticas del modelo con el material
elegido y propiedades geométricas. Puesto que el sistema se analizó en
superficie y sumergidas configuraciones, primero examinaron a la flotabilidad
de reserva del sistema en estas orientaciones. En la superficie, se diseñó el
modelo que tendría una flotabilidad de reserva de 11.76 kN correspondiente a
un proyecto de 0,4 m. Nota que las boyas conectadas al amarre no se incluyeron
en el cálculo. Los componentes del sistema mayor que contribuye a la fuerza de
flotación son las cámaras de flotabilidad variable inflable. Estas bolsas inflables
tienen poca masa, pero tienen flotabilidad considerable cuando se llena de aire.
En la condición sumergida, se desinfla el componente cámara de flotabilidad
variable, resultando en una fuerza de flotabilidad negativa total de 16,78 kN del
sistema 4 × 4. En la configuración sumergida, sin embargo, la flotabilidad de la
esquina de boyas de amarre contribuye al componente vertical de la fuerza. El
modelo numérico del todo 4 × 4 gabinete módulo y marco Olmo jaula del
sistema se muestra en la Fig. 12.
3.2.4. estructural modelado
Una vez que se calcularon las cargas hidrodinámicas, se analizaron la
concentración de tensiones en el gabinete y el marco. Los detalles de la malla
de elementos finitos del sistema de gabinete y el marco se muestran en la figura
15. Teniendo en cuenta la simetría, se analizó sólo 1/4 del modelo.
Figura 24. (a) la tensión de línea de anclaje situada cerca el flotador de superficie,
(b) las tensiones de línea máxima brida de todas las líneas del frenillo 8, (c) las tensiones de línea del conectador de gabinete máxima de todas las líneas de conectores durante caso
de carga de 1c con la jaula en la posición sumergida.
También es importante tener en cuenta que la geometría fue simplificada para
quitar pequeños detalles que no afecten a la resistencia estructural. La malla
consistió en 76.000 elementos finitos isoperimétricos de segundo orden, que
corresponde a un tamaño de elemento promedio de 10.0 milímetros. Todas las
características geométricas están endentadas con elementos triangulares,
excepto para el conector de accesorio está endentada con tetraedros.
3.2.5. los casos de carga
El modelo de jaula fue creado para simular la interacción fluido estructura
debido a las olas y corriente con la formulación de la ecuación de Morison en
la ecuación (12). Ondas irregulares con las características espectrales que se
muestra en la figura 8 se combinaron con una corriente de 1,0 m y arena aplicada
para calcular las fuerzas en componentes del modelo. Tabla 1 muestra el
coeficiente de arrastre de cada elemento empleado en el modelo numérico. Se
fijaron los nodos correspondientes a los anclajes. Todos los elementos en el
modelo fueron sometidos a la gravedad, flotación, arrastre y las fuerzas de
inercia, y la profundidad del agua fue fijada a 30 m. Ninguna fricción del lecho
marino se aplicó en el análisis. Se analizaron los casos de carga siguientes:
1. hidrodinámica análisis (ambas jaulas sumergidas y de superficie pos-
condiciones):
a. ondas irregulares de con un espectro JONSWAP de s Hs = 8.01 m, Ts = 12.52.
b. 1.0 m/s actual, disminuyendo linealmente con la profundidad de agua de 30
m.
c. ondas y corrientes: ondas irregulares con un espectro JONSWAP de Hs =
8.01 m, Ts = 12.52 s combinan con una corriente de co-linear1.0 m/s, disminuye
linealmente con la profundidad.
2. análisis estructural: el sistema se analizó bajo el peor de los casos
observado en el análisis hidrodinámico.
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
4.1. resultados de los análisis CFD
Se analizaron los resultados CFD como contorno de las parcelas en el plano X-
Y para evaluar las condiciones de flujo a través de los gabinetes para los casos
1 y 2 (Fig. 16). Como se muestra en la figura 16, el color rojo indica un alto
nivel de velocidad, y el color azul indica un nivel bajo. En el caso 1, con flujo
externo en la orientación de un costado, una cantidad considerable de
observación era evidente. Para el caso 2 con la dirección del flujo a lo largo de
6 hojas de placas de polietileno en refugio de abulón, un aumento de velocidad
superior a 0.5 m/s era evidente debido a la canalización de efectos. Por lo tanto,
se puede inferir esa tasa de reposición del oxígeno disuelto es mejor en la
orientación del caso 2.
4.2. resultados de análisis hidrodinámica
El siguiente paso en el análisis fue examinar las tensiones dentro de la estructura
de jaula de abulón cuando sometidos a onda y actual obligando a (carga caso
1C) con el enfoque de la ecuación de Morison. Se realizaron simulaciones en
las configuraciones sumergidas y de superficie. Fue capturado un paso de
tiempo individual de cada simulación como se muestra en la figura 19. El
sistema de jaulas sumergidas abulón experimentó las cargas más altas y las
tensiones durante la onda combinada y el caso actual de la carga (1c). la Figura
20 muestra las fuerzas axiales máximas las fuerzas de corte y momentos de
flexión dentro de la jaula sumergida. La jaula de abulón superficial también
experimentó las cargas más altas y las tensiones durante la onda combinada y
el caso actual de la carga (1c). Las tensiones máximas observadas de este caso
de carga se muestran en la Fig. 21 con máximas fuerzas axiales (a), las fuerzas
de cizalla (b) y momentos de flexión (c) dentro de la jaula sumergida.
4.3. estructurales análisis de resultados
Las cargas resultantes y las tensiones observadas en caso de carga de 1c (olas y
corrientes) con la jaula en la superficie se utilizó para el análisis de edstructural
de detalle. El gabinete se analizó en primer lugar. Para asegurar una mejor
comprensión de la distribución de tensiones, el sistema fue examinado usando
dos métodos como tensiones pueden localizarse alrededor de los puntos de
conexión. El gabinete se fijó primero en los puntos de fijación. Luego, se aplica
una carga uniformemente sobre toda la estructura para simular la carga
dinámica total. Esta carga fue equivalente a las tensiones en los conectores, con
una fuerza de 29,4 kN por conector (condición de límite A). El gabinete se fijó
entonces en las esquinas de la parte inferior cuatro. Una carga punto equivalente
de la fuerza de conector 29,4 kN fue aplicada a los puntos de sujeción (frontera
condición B). Los resultados de este análisis se muestran en la figura 26. El
estrés máximo dentro del gabinete se acercó a 400 MPa en condición límite A
y 1400 MPa en condición de frontera de B, respectivamente.
5. RESUMEN
Según el análisis CFD, más del 70% en el % de and60 gabinete en dos gabinetes
de la velocidad del flujo se mantuvo para el caso 2 (donde el flujo de hechos a
lo largo de las 6 hojas de placas de polietileno). La velocidad del flujo dentro
de la contención fue cambiada 0.11-0.19 m/s to0.009 – 0.011 m/s y redujo en
más del 90% en jaula de abulón convencional donde el flujo actúa a través de
las placas de polietileno (Choiet col., 2013).
Los resultados de los análisis de fluido-estructura y componentes indican
claramente que los valores más altos se encuentran al mismo tiempo de la jaula
en la superficie. En la configuración de sumergidas, los accesorios de la boya
de superficie son los componentes que están probables que se encuentran las
fuerzas más altas.
En este lugar, es probable que cargas cíclicas y rápidas asociadas a las
condiciones de la onda superficial pueden también demostrar ser perjudicial a
los grilletes usados para conectarse el sistema de amarre a las boyas. La tensión
máxima que se encuentran dentro del gabinete approached1400 MPa, mientras
que en el marco de las tensiones superaron el rendimiento valor of620 MPa para
este material. Por lo tanto, sumergir el sistema sería crítico en cualquier evento
de tormenta de alta energía.
Los resultados de este estudio pretenden ser prácticos desde la perspectiva
operacional con el uso combinado de computadoras robustas herramientas de
modelado y diseño de botha. En este caso CFD, ecuación de Morison y código
de análisis estructural se aplicaron para propósitos de diseño específico.