Hydrodynamic characterisation of aquaculture tanks and design criteria for improving self-cleaning properties

Abstract

El propòsit del treball es caracteritzar hidrodinàmicament els tancs més utilitzats en el sector aqüícola, i donar pautes de disseny per millorar-ne l'autoneteja, i optimitzar l'eficiència d'utilització tant de l'espai com de l'aigua. La tesis es presenta en forma de compendi d'articles. En els dos primers s'estudien les característiques hidrodinàmiques de diferents configuracions geomètriques i diferents dissenys d'entrada d'aigua. En els dos últims s'estudien els processos de sedimentació i resuspenció dels biosolids que es generen en els tanc aqüícoles, mesurant la turbulència necessària per la sedimentació i resuspenció, i posteriorment es varen comparar els valors obtinguts amb els de la turbulència generada per la pròpia activitat natatòria del peixos en els tancs de cultiu.<br/>L'estudi de les característiques hidrodinàmiques dels tancs, es va realitzar amb models a escala al laboratori, que es van evaluar mitjançant velocimetria de seguiment de partícules. La turbulència generada pels peixos al nedar es va estudiar mitjançant velocimetria acústica, utilitzat la mitja quadràtica de les velocitats (Root Mean Square RMS) com a paràmetre per quantificar la turbulència. Finalment, la turbulència necessària per la resuspenció de biosolids es va determinar amb una graella oscil·lant adaptada a les característiques dels biosolids aqüícoles (alt contingut orgànic, i alta cohesivitat); l'RMS també fou el paràmetre utilitzat per quantificar la turbulència necessària per la resuspenció de biosolids.<br/>Amb l'estudi de les característiques hidrodinàmiques dels models a escala, s'ha determinat que el patró de flux està fortament condicionat pel disseny de l'entrada d'aigua. <br/>S'ha observat que en les configuracions on l'aigua fluïa de d'un extrem del tanc a l'altre, el patró de flux era molt heterogeni amb presència freqüent de zones mortes i corrents de curt-circuit. Les velocitats aconseguides foren baixes. Es van aconseguir velocitats més altes i una major homogeneïtat quan es va introduïr l'aigua tangencialment a la paret del tanc per tal de crear cèl·lules de barreja. Les cèl·lules de barreja van presentar un flux típic de tancs circulars tot i la geometria rectangular dels tancs utilitzats. Es va definir el paràmetre coeficient de resistència de tanc (Ct), que ha demostrat ser vàlid per evaluar tancs tant circulars com rectangulars amb cèl·lules de barreja. Aquest coeficient ha estat útil per evaluar l'efecte de l'emplaçament de bafles i de les diferents ratios entre longitud i amplada de cèl·lula estudiades. S'ha comprovat que l'efecte dels bafles augmenta les velocitats a la sortida de l'aigua. L'augment d'aquestes velocitats permetrà eliminar els biosòlids del tanc i aconseguir una millor autoneteja.<br/>Referent a l'estudi de l'activitat natatòria dels peixos mitjançant velocimetria acústica, el mètode proposat ha permès determinar que la turbulència generada pels peixos al nedar augmenta amb la densitat, així com l'important efecte que té el fotoperíode en l'activitat natatòria dels llobarros.<br/>Per últim, la utilització de la graella oscil·lant per determinar el nivell de turbulència necessari per resuspendre els biosolids i el nivell necessari per mantenir-los a la columna d'aigua, ha permès determinar l'efecte del temps de consolidació en la turbulència necessària per la resuspenció. També s'ha observat que existeix histèresis quan després d'un procés de resuspenció, la turbulència es va disminuir per evaluar el procés de sedimentació. Finalment, s'han pogut determinar diferències en la turbulència necessària per la resuspenció quan es van evaluar biosolids procedents de diferents tancs, amb diferents densitats de cultiu i talla de peixos.

El propósito del presente trabajo es caracterizar hidrodinámicamente los tanques más utilizados en acuicultura y dar pautas de diseño para mejorar su autolimpieza, y optimizar la eficiencia de utilización tanto del espacio como del agua. La tesis se presenta en forma de compendio de artículos. En los dos primeros se estudiaron las características hidrodinámicas de diferentes configuraciones geométricas y diferentes diseños de entrada de agua. En los dos últimos artículos se estudiaron los procesos de sedimentación y resuspensión de los biosólidos que se generan en los tanques acuícolas, midiendo la turbulencia necesaria tanto para la sedimentación como para la resuspensión, y se compararon los valores obtenidos con los de la turbulencia generada por la propia actividad natatoria de los peces en los tanques de cultivo.<br/>El estudio de las características hidrodinámicas de los tanques se realizó con modelos a escala en laboratorio, que se evaluaron mediante velocimetría de seguimiento de partículas. La turbulencia generada por los peces al nadar se estudió mediante velocimetría acústica, siendo la media cuadrática de las velocidades (Root Mean Square RMS) el parámetro utilizado para cuantificar la turbulencia. Finalmente, la turbulencia necesaria para la resuspensión de biosólidos se determinó mediante una parrilla oscilante adaptada a las características de dichos biosólidos (alto contenido orgánico y alta cohesividad); el RMS también fue el parámetro utilizado para cuantificar la turbulencia necesaria para la sedimentación y resuspensión de biosólidos.<br/>En el estudio de las características hidrodinámicas de los modelos a escala, se ha determinado que el patrón de flujo está fuertemente condicionado por el diseño de entrada del agua. Se ha observado que en las configuraciones en que el agua fluyó des de un extremo del tanque al otro, el patrón de flujo fue heterogéneo con presencia frecuente de zonas muertas y corrientes de corto circuito. Las velocidades alcanzadas fueron bajas. Se consiguieron velocidades más altas y una mayor homogeneidad cuando el agua se introdujo tangencialmente a la pared del tanque para crear células de mezcla. Las células de mezcla presentaron un flujo típico de tanques circulares a pesar de la geometría rectangular del tanque. Se definió el parámetro coeficiente de resistencia de tanque (Ct), que ha demostrado ser válido para evaluar tanques tanto circulares como rectangulares con células de mezcla. Dicho coeficiente ha sido útil para poder evaluar el efecto del emplazamiento de bafles y de las diferentes ratios entre longitud y ancho de célula estudiadas. Se ha comprobado que el efecto de los bafles aumenta las velocidades en la salida del agua. El aumento de estas velocidades permitirá eliminar los biosólidos del tanque y alcanzar una mejor autolimpieza.<br/>Referente al estudio de la actividad natatoria de los peces mediante velocimetría acústica, el método propuesto ha permitido determinar que la turbulencia generada por los peces al nadar aumenta con la densidad, así como el fuerte efecto que tiene el fotoperíodo en la actividad natatoria de las lubinas.<br/>Por último, el uso de la parrilla oscilante para determinar el nivel de turbulencia necesario para resuspender biosólidos y el nivel necesario para mantenerlos en la columna de agua, ha permitido determinar el efecto del tiempo de consolidación en la turbulencia necesaria para la resuspensión. También se ha observado la existencia de histéresis cuando después de un proceso de resuspensión, la turbulencia se disminuyó para evaluar el proceso de sedimentación. Finalmente, se han podido determinar diferencias en la turbulencia necesaria para la resuspensión cuando se evaluaron biosólidos procedentes de diferentes tanques, con diferentes densidades de cultivo y talla de peces.

The purpose of this work is to characterise the hydrodynamics of the most commonly used aquaculture tanks and to define design criteria that will improve self-cleaning properties and optimise the use of space and water. The dissertation is submitted as a compilation of individual articles. Two of the articles focus on the hydrodynamic characteristics of various tank geometries with different water inlet designs. The remaining articles examine the turbulence required for sedimentation and resuspension of biosolids generated in aquaculture tanks. The turbulence values obtained are compared with the turbulence generated by fish swimming activity in aquaculture tanks.<br/>Hydrodynamic characteristics were studied in the laboratory by applying particle-tracking velocimetry techniques to scale models.<br/>The turbulence generated by fish swimming activity was studied using acoustic velocimetry techniques and quantified using the root mean square (RMS) of velocities. Finally, the turbulence needed to resuspend biosolids was determined using an oscillating grid adapted to the specific characteristics of the aquaculture biosolids (high organic content and high cohesiveness); RMS was also used to quantify the turbulence needed to resuspend biosolids.<br/>Analysis of the hydrodynamic characteristics of scale models revealed that the flow pattern is strongly affected by the water inlet design. The flow pattern was homogeneous in configurations in which water flowed along the tank from the upper to the lower end, and dead zones and bypass currents were frequently observed. Flow velocities were low. The homogeneous flow pattern and higher water velocities were observed when water was injected tangentially to create a rotating flow pattern. Rotating flow cells produced a circular flow pattern in rectangular tanks. We defined a tank resistance coefficient (Ct), which was found to be suitable for evaluating both circular and rectangular tanks with rotating flow patterns. The coefficient was used to assess the effect of baffles and various length/width cell ratios. We found that baffles increased the water velocity at the outlets, which is important in the removal of biosolids and for producing self-cleaning properties.<br/>Acoustic velocimetry was used to study fish swimming activity. We found that the turbulence generated by swimming activity increases with density and that the photoperiod has a strong effect on the swimming activity of sea bass.<br/>Finally, an oscillating grid was used to determine the turbulence needed to resuspend biosolids and the turbulence needed to keep them in the water column; these experiments illustrated the effect of consolidation time on the turbulence required for resuspension.<br/>Hysteresis was observed when turbulence was reduced to evaluate sedimentation following resuspension, and different levels of turbulence were required for resuspension in different tanks (with different densities and fish sizes).