High resolution numerical modelling of floating flexible fish cages

Dette prosjekt har siktet på å utvikle et komplett rammeverk for å løse hydrodynamikk av en flytende oppdrettsanlegg struktur og analysere strukturelle respons av hele konstruksjonen ved CFD modellering. Det finnes flere undersøkelser av hydrodynamikk og konstruksjonsrespons uavhengig av hverandre. På grunn av sterk samspill mellom forskjellige komponenter i en fiskemerd struktur er det viktig å evaluere hydrodynamikk og strukturelle responsene sammen i en modell. Visjonen med dette prosjekt er å koble en Finite Element Method (FEM) modell for å analysere strukturelle respons til miljøbelastninger som er nøyaktig representert ved en Computational Fluid Dynamics (CFD) modell. Den open-source hydrodynamikk rammeverk REEF3D, utviklet ved Institutt for bygg- og miljøteknikk (NTNU), ble brukt for å undersøke flere problemer innen kyst og marinteknikk som brytende bølger og bølgekrefter på sylindere, hydrodynamikk av en svingende vannsøyle og bevegelse av flytende konstruksjoner i bølger. Dermed var modellen et perfekt utgangspunkt for å bli utvidet til å simulere spesielle aspekter av flytende oppdrettsmerd i løpet av prosjektet. Sterk samarbeid med nasjonal partnere SINTEF Ocean og internasjonal partnere Franzius institutt, Universitetet i Hannover, Tyskland og Indian Institute of Technology-Bombay, India ga et rikt internasjonalt forskningsmiljø og forskningsresultatene rekker til aktører i oppdrettsnæringen på en internasjonal nivå. I nåværende prosjektfasen er den numeriske algoritmen for fortøyning og nett implementert i modellen. Den 6DOF-algoritmen som beregner bevegelser og belastninger på den flytende konstruksjonen er oppdatert slik at den gir mer nøyaktige resultater i tredimensjonale simulasjoner. Offshore oppdrettsmerder har blitt simulert og forskningen er levert til et internasjonal tidsskrift. Fem masteroppgaver og en doktorgradsavhandling er gjennomført for å verifisere den nye 6DOF-algoritmen og fortøyningsmodellen. En flere forsøk er gjennomført i Hannover for å validere modellens resultater for flytende konstruksjoner i bølger. Samarbeid med SINTEF Ocean for å gjøre modellen til et relevant verktøy for industrien ved å inkludere nødvendige praktiske funksjoner ble satt i gang. Modellutviklingen ble presentert på flere konferanser og flere vitenskapelige artikler er publisert.

A complete framework for resolving the hydrodynamics of an open ocean floating fish farm structure is developed, validated and disseminated in the current project. Significant contributions to existing research were made: 1. Development of a rigid-body FSI solver for the rigid floating structure based on the fluid dynamics solver REEF3D. 2. Development of a numerical mooring model, that combines flexibility with efficiency in order to cope with the demands of OOA systems. 3. Development of a non-linear structural dynamics solver for the net, accounting for large motions and non-linear material. 4. Development of a coupling methodology for the interaction of deformed elastic porous structures and the fluid. 5. The new wave model REEF3D::FNPF is developed and validated to resolve the waves in Norway's coastal zone delivering realistic design wave conditions for OOA structures can be estimated.

This project aims at developing a complete framework for resolving the hydrodynamics of a floating fish farm structure and analysing the structural response of the whole construction in a single high resolution CFD model. Several works in current literature have investigated the hydrodynamics and structural response of the various components of a fish cage independently. Due to the strong interaction between the different components of a fish cage structure, it is essential to evaluate the hydrodynamics and structural responses of the different components in a single framework. In this direction, the vision of this project is to incorporate an Finite Element Method (FEM) model to analyse the structural response to the environmental loading that is accurately represented by a Computational Fluid Dynamics (CFD) model. The open source CFD model developed at the Department of Civil and Transport Engineering NTNU has been widely used to investigate several problems in the field of coastal and marine engineering such as analysis of breaking waves, breaking wave forces on cylinders, hydrodynamics of an oscillating water column wave energy device and motion of floating structures on waves. Thus, the model can be extended to simulate special aspects of a floating fish cage. This steadily growing industry in Norway requires focussed research to maintain its quality and growth with environmental and safety considerations in mind. The main challenge will lie in the implementation and coupling of the CFD model with the FEM model. Strong collaboration with National partners MARINTEK and International Partners Franzius Institute, University of Hannover, Germany and Indian Institute of Technology-Bombay, India will provide a rich international research environment and the research results can be disseminated to the stakeholders in the aquaculture industry at an international level.