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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.

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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.

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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.

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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.

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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).

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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.

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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,

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Figura 7. Generación de red para el dominio de simulación.

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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

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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.

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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

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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.