Evaluation and Development of Inlet Arrangement for Land-Based Breeding Tank

Masteravhandlingen tar for seg analysering og utvikling av et nytt innløpsarrangement for en landbasert ventemerd. Målsetningen med oppgaven er å «Vurdere uniformiteten i strømningsmønstre oghastigheter i et kjent forsøk, opp mot en strømningsanalyse under like parametere.» Teori og teknologi grunnlaget beskriver i starten av oppgaven de ulike teoriene som er relevant for utviklingen. Det var ønsket å vurdere tidligere forsøk på strømningshastigheten gjennom datasimuleringer, da det er uklart hvor godt disse simuleringen stemmer med den faktiske strømningshastigheten. Et pilotforsøk fra 1991 vurderes derfor opp mot en datasimulering av forsøket. Resultatene fra simuleringen avviker såpass mye fra de resultatene oppnådd i 1991, at det velges å gjennomføre et nytt forsøk. For at forsøket skulle gjennomføres med ønsket presisjon, fulgte en planlegging og gjennomføringsfase. Her ble det dannet et eget forsøksmål: «Vurdere strømningsmønstre og hastigheter i et kjent forsøk, opp mot en strømningsanalyse under like parametere». Alle forsøkene ble gjennomført i fiskelaboratoriet til NMBU, på et kvadratisk kar med avrundede kanter og volum på 2,67 m3. For å vurdere hvordan strømningsmønstre påvirkes av volumstrømmer i ulike områder av karet, tok forsøket for seg tre ulike volumstrømmer og tre ulike radier. Forsøkene ble repetert tre ganger. En liten prøve med lav tetthet ble plassert i vannoverflaten og filmet mens den beveget seg med strømningen. Dette resulterte i en stor datamengde, der 5 av totalt 27 forsøk ble grundig analysert. Disse representerer situasjonene som ble undersøkt. Sammenligningen mellom resultatene fra datasimuleringen og forsøket, viste at hastigheten i strømningsanalysen i snitt ligger 39% under den målte hastigheten. I enkelte områder er avviket større. Derimot stemte banen som prøven bevegde seg i, i større grad med strømningslinjene fra datasimuleringen. I produktutviklingsprosessen brukes erfaringene fra sammenligningen og det teoretiske grunnlaget for utviklingen av et nytt innløpsarrangement. Bremnes Seashore, som innløpsarrangementet utvikles for, ønsker å oppnå en primærstrømningshastighet mellom 5-20 cm/s i ventemerden. Med en vekting av ulike produktegenskaper og vurdering av det gjeldende regelverket, foreslåes det tre innløps alternativer, der en er den eksisterende løsningen. Teorien tilsier at ved å øke antall distribusjonsrør fra 1 til 4, oppnås et mer uniformt strømningsbilde. Det er med bakgrunn i dette og en teori om at primærstrømningshastigheten i merden vil være 20% av innløpshastigheten, at løsningsforslag nr.1 med flere distribusjonsrør foreslås. Hastigheten er derimot litt for høy i denne løsningen. I løsningsforslag nr.2 økes diameteren på innløpene for å redusere strømningshastigheten, slik at det er innenfor ønsket hastighet i hele tankvolumet. Løsning nummer to kommer også best ut av en konseptscreening, og ansees derfor som den beste av de tre løsningene. Belastninger som innløpene utsettes for og valg av materiale, dannet grunnlag for videre utvikling av løsningen. En tidlig kostnadskalkyle viser en total kostnad på 1,2 millioner kroner for utvikling og produksjon av prototype. I diskusjonsdelen kommer det frem at resultatet fra forsøket kan gi en indikasjon på at den faktiske strømningshastigheten i en tank, kan være høyere enn det som fremkommer fra en strømningsanalyse. Mesh og oppsettet på datasimuleringen vil derimot spille en stor rolle på resultatene. Fra resultater og erfaringen konkluderes det med at Bremnes Seashore kan oppnå en mindre variasjon i strømningshastigheter, ved benyttelse av løsningsforslag nr.2. For å slippe unna en eventuelt utviklingskostnad for et nytt innløpsarrangement, anbefales det å benytte seg av samme distribusjonsrør som i den eksisterende løsningen, men at antallet økes fra 1-4. Før en slik utvikling eller implementering av nytt innløpsarrangement gjenstår det derimot en del arbeid. Dette omfatter blant annet at det gjennomføres et forsøk på en nedskalert versjon av ventemerden, med målemetoder som har en mindre usikkerhetsfaktor enn de som ble brukt i forsøket.This master thesis discusses analysis and development of a new inlet arrangement for a land-based breeding tank. The objective of the work is "Designing an inlet arrangement which provides a satisfactorily flow pattern for salmon." In the theory and technology fundament, theories and technologies relevant to development are described. It was desired to evaluate previous experiments through computer simulations, as it is unclear how well these simulations agree with the actual flow patterns for the given input conditions. A pilot study from 1991 is therefore evaluated up against a computer simulation of the experiment. The results of the simulation differ so much from the results obtained in 1991 that the author decides to develop a new experiment. In order for the experiment to be carried out with desired accuracy, a planning and implementation phase followed. The objective for the experiments was to "Consider flow patterns and velocities in a known experiment, against a flow analysis under the same parameters ." All experiments were performed in fish laboratory at NMBU, on a square tank with rounded edges and volume of 2.67 m3. To assess how the flow picture is influenced by volume flows in different areas of the tank, the experiment analysed three different flow rates and three different radii. The experiments were repeated three times. A small sample with low dencity was placed on the water surface and filmed while it was moving with the flow. This resulted in a large amount of data, where 5 of a total of 27 trials were analyzed. These cover all situations that was conducted. The comparison between the results of computer simulation and the experiment showed that the flowrate of the flow analysis on average is 39% below the actual speed, and in some areas the deviation is even greater. However, the observed trajectory corresponded to a greater extent with the flow lines of computer simulation. In the product development process, experience from the comparison and the theoretical basis, form the background where used to develop a new inlet arrangement. Bremnes Seashore, which the inlet arrangement is developed for, want to achieve a primary flow rate between 5 to 20 cm/s. A weighing of different product characteristics and evaluation of the existing regulations, three inlet configurations are proposed, where one is the existing solution. Theory suggests that by increasing the number of distribution pipes from one to four, more uniform direction and velocity will be achieved. With this background combined with a theory that the primary velocity in the tank will be 20% of the inlet velocity, solution number one with several distribution pipes are proposed. The velocity is however a too great in this solution. In solution number two the diameter of the inlets where increased. As a result of the increased diameter, velocity reduces so that it is within the desired velocity throughout the tank volume. Inlet arrangement solution number two also ranks best in the concept screening, and is therefore regarded as the best of the three solutions. The Stresses that the inlets is exposed to and the choice of material, formed the basis for further development of the solution. An early price estimate shows a total cost of 1.2 million NOK for the development and production of a prototype. The discussion reveals that the result of the test can give an indication that the actual flow rate in a tank can be higher than that which emerges from a flow analysis. Mesh and layout on computer simulations will however play a major role in the results. In addition, the theoretically best solution involves a significantly higher flow rate according to computer simulation than what the theory suggests. Results and experience concluded that Bremnes Seashore can achieve a smaller range of flow rates, by using the second inlet arrangement. To escape an optionally development cost for a new inlet arrangement, it is recommended to use the same distribution pipes as in the existing solution, but increasing the number of pipes from 1 to 4. Before developing or implementing such a new inlet arrangement, there is required some additional work. This includes testing at a scaled down version of the breeding tank with measurement methods which have a higher degree of accuracy than those used in this thesis.M-MP