Mooring system and hydrodynamic analysis of a closed fish cage using the BIEM method

• Main Author: Smith, Caspar Cappelen
• Other Authors: Lader, Pål
• Format: Master Thesis
• Language: English
• Published: NTNU 2019
• Subjects: Laksen; Toppen; Platen; Atlantic salmon
• Online Access: http://hdl.handle.net/11250/2622974

Som den største produsenten av atlantisk laks, vokser den norske havbruksnæringen raskt. Suksessen er nært knyttet til bruk av såkalte nettbaserte strukturer og til å utnytte de rike norske miljøforholdene. På grunn av den raske veksten og karakteristikken til de åpne nettbaserte fasilitetene, står industrien overfor en rekke miljømessige utfordringer som fiskeflukt, forurensning, sykdom og smittsomme parasitter i form av lakselus. I tillegg til å påvirke laksen i anleggene, påvirker nettanleggene naturlige habitater, noe som forårsaker stor trussel mot planteliv og dyrearter. En mulig løsning som viser gode fremtidsutsikter er lukkede fleksible merder (CFFC), produsert i form av uavhengige strukturer eller som membraner tilpasset gjennomføring i allerede eksisterende anlegg. Denne oppgaven undersøker hydrodynamiske krefter og bevegelser på fire forskjellige geometrier inspirert av Botngaard sitt design. Krefter og bevegelser brukes videre til å evaluere integriteten til et tradisjonelt fortøyningssystem under høy og betydelig eksponering for bølger og betydelig eksponering for strøm. Dette er for å undersøke om tradisjonelle fortøyningssystemer som brukes av industrien er sterke nok til å motstå økte krefter knyttet til lukkede oppdrettsteknologi. På grunn av sin økte masse, deler CFFC-anlegg mye av de samme egenskapene som offshore-strukturer som er svært forskjellige fra åpne nettbaserte fiskeanlegg. I tillegg til økt masse, er det få store havbaserte strukturer som har fleksible egenskaper med en fri væske overflate. Ved å bruke simuleringsprogrammet WAMIT basert på lineær og potensiell bølgeteori, er bevegelsen av strukturer funnet i form av RAO i bølgefrekvensregimet og ikke-dimensjonale mildere bølgedrift koeffisienter. Kreftene fra strøm har blitt funnet ved hjelp av Morisons ligning. Fra fortøynings analysen vises det at linene enten er i nærheten av eller overstiger materialegenskaper og opperasjonsgrenser når bølgeeksponering er satt til høy. Ved å senke bølgeeksponeringen til betydelig forbedres situasjonen, men haneføttene som strekker seg fra kontakt platen til toppunktet er fortsatt utenfor operasjonsgrensene. Dette kan løses ved å bytte komponenter med de mer robuste supertec 8-tauene som brukes i ankerlinekomponenten i systemet. Det interne sloshing-problemet har blitt undersøkt i den dynamiske og statiske analysen i WAMIT, og svarer godt til anerkjent litteratur når utfallet fra de forskjellige testene tolkes. I tillegg bekrefter lignende undersøkelser at resultatene fra den statiske og dynamiske analysen gir realistiske resultater for de forskjellige simuleringene. Modellering av stivheten fra bunnkjettingen og demping fra viskøse effekter lineært i WAMIT gjør at analysen inneholder usikkerhet, spesielt når man vurderer fortøyningssystemets integritet. I tillegg har fortøyningsanalysen blitt utført utelukkende ved å evaluere spenningen i toppen av en enkelt forankringsline og ved å neglisjere tauenes egenskaper til å forlenge seg når system blir utsatt for krefter. Det er også usikkerhet knyttet til ikke-lineære effekter som sakete varierende krefter, som har blitt vurdert basert på en kvalitativ evaluering fra lignende undersøkelser utført av andre aktører. Oppsummert er det tydelig at fortøyningssystemet bør undersøkes nærmere ved hjelp av numerisk programvare som vurderer ikke-lineære effekter. I tillegg bør mer oppmerksomhet om posens elastisitet og dens effekt på fortøyningssystemets integritet utføres i fremtidig arbeid. As the number one producer of Atlantic salmon, the Norwegian aquaculture industry is growing rapidly. The success is closely connected to the use of so-called net-based structures, taking advantage of the rich and prosperous Norwegian environmental conditions. Due to the rapid growth and nature of the open net-based facilities, the industry is faced with numerous environmental challenges including fish escape, pollution, disease and infectious parasites in the form of sea lice. As well as affecting the ongrowing salmon within the facilities, it affects natural habitats, causing major threat to a large number of natural species. A possible solution showing great promise is the closed flexible fish cage (CFFC), produced in the form of independent structures or as membranes customized for implementation in already existing facilities. This paper investigates the hydrodynamic forces and motions on four different geometries inspired by the CFFC Botngaard design. The forces and motions are further used to evaluate the integrity of a traditional mooring system suspected to high and substantial exposure for waves, and substantial exposure for current. This is to investigate if traditional mooring grid systems used by the industry can withhold increased forces connected to closed containment technology. Due to its increased mass, CFFC facilities share many of the same characteristics as offshore structures, widely different from open net-based fish farm facilities. In addition to increased mass, as of today, there are few large volume ocean-based structures having flexible properties with a free surface. Using the BIEM and low order panel method implemented in the simulation software WAMIT based on linear and potential wave theory, the motion of the structures has been found in the form of RAO's in the wave frequency regime, including second-order nondimensional mean drift force coefficients. Forces from uniform current has been found using Morison's equation. Combining the results with high wave and substantial current exposure, forces and motions show that the top side tension of the mooring lines in the orthogonal mooring system is either in the vicinity or exceeding material properties and operational limits. Lowering the wave exposure to substantial improves the operational limits, but the bridle lines stretching from the connector plate to the top side connection point is still outside operational limits. This can be solved by exchanging the components with the more robust supertec 8 ropes used in the anchor line component of the system. The internal sloshing problem has been investigated in the dynamic and static analysis in WAMIT, responding well with recognized literature when interpreting the outcome from the different tests. In addition, similar investigations confirm that the results from the static and dynamic analysis give realistic results for the different simulations. Modeling the stiffness from the bottom chain and damping from viscous effects linearly in WAMIT makes the analysis suspect to uncertainty, especially when evaluating the mooring system integrity. In addition, the mooring system analysis has been carried out from solely evaluating the top side tension in one mooring line, neglecting the elasticity of the rope components. There is also uncertainty tied to nonlinear effects such as slowly varying drift forces, which has been evaluated purely based on a qualitative evaluation based on similar research carried out by other actors. Overall, it is evident that the mooring system should be investigated more closely using numerical software considering nonlinear effects. In addition, more attention on the elasticity of the bag, and its effect on mooring system integrity should be carried out in future work.