Le rôle de la dynamique des fluides dans l'aquaculture

L'aquaculture est l'un des secteurs de production alimentaire qui connaît la croissance la plus rapide au monde. L'intensification des activités aquacoles pose des défis environnementaux et opérationnels importants. L'un des facteurs les plus importants qui déterminent le succès d'une pisciculture est la gestion du débit d'eau. La mauvaise conception de la circulation de l'eau peut conduire à une faible teneur en oxygène dissous, à l'accumulation de déchets et à une plus grande sensibilité aux maladies.

La dynamique des fluides régit la façon dont l'eau traverse les réservoirs, les pistes et les filets. Elle contrôle la distribution de l'oxygène, l'élimination des excréments et des aliments non atomisés, et le mélange de l'eau pour maintenir des conditions de température et de chimie uniformes. Sans attention particulière aux schémas de débit, les poissons peuvent éprouver du stress, des taux de croissance réduits et une mortalité plus élevée.

L'importance d'un débit d'eau adéquat dans les fermes de poissons

Distribution d'oxygène et enlèvement des déchets

Dans les systèmes d'aquaculture intensive, la consommation d'oxygène peut être élevée en raison de la densité de stockage. Un écoulement insuffisant peut créer des zones stagnantes où les niveaux d'oxygène baissent dangereusement bas, particulièrement à proximité du fond du réservoir ou dans les coins. Inversement, des zones à grande vitesse peuvent entraîner des dépenses d'énergie inutiles pour les poissons qui essaient de nager contre le courant. L'analyse CFD aide à identifier ces zones problématiques et permet aux ingénieurs d'optimiser les placements d'entrée et de sortie, le calibrage de la pompe et les configurations de la baffle.

Si les vitesses de débit sont trop faibles, les solides se déposent et se décomposent, libérant de l'ammoniac toxique et du sulfure d'hydrogène. Si les vitesses sont trop élevées, les solides peuvent se briser et se suspendre, réduisant ainsi l'efficacité de l'élimination. En simulant les trajectoires des particules et la dynamique de l'installation, Ansys Fluent permet aux concepteurs d'atteindre un équilibre optimal qui maintient la qualité de l'eau tout en réduisant la consommation d'énergie.

Impact sur la santé et la croissance du poisson

Les études ont montré que des modèles de débit bien conçus améliorent les taux de conversion des aliments et réduisent la mortalité. De plus, des conditions d'eau uniformes empêchent la formation de stratification thermique et assurent une distribution uniforme des médicaments ou des probiotiques. La DFC permet aux agriculteurs de tester les différentes densités de stockage et les régimes d'alimentation virtuellement, réduisant ainsi le besoin d'expériences physiques coûteuses.

Défis en aquaculture Gestion de l'eau

Zones mortes et hétérogénéité des flux

Chaque réservoir de poisson ou chaque racéway contient inévitablement des régions où l'eau recircule ou stagne. Ces zones mortes sont des points chauds pour l'accumulation de déchets et la croissance des pathogènes. Dans les réservoirs circulaires, le débit tend à être relativement uniforme, mais dans les pistes rectangulaires, d'importantes zones mortes peuvent se développer près des extrémités ou derrière les obstacles.

Élargissement du laboratoire à la production

Les paramètres de conception qui fonctionnent dans les petits réservoirs expérimentaux ne se traduisent souvent pas linéairement en grands systèmes commerciaux. La dynamique des fluides s'élargit de façon non linéaire avec les dimensions, ce qui signifie que les schémas de débit et de mélange peuvent changer considérablement lorsqu'un réservoir est agrandi.

Dynamique des fluides informatiques : comment Ansys s'attaque aux défis de l'aquaculture

Ansys Fluent est un logiciel CFD de pointe largement utilisé dans les domaines de l'aérospatiale, de l'automobile et du génie maritime. Son solveur robuste, ses modèles physiques étendus et son interface conviviale le rendent tout aussi puissant pour les applications aquacoles. Fluent peut simuler un débit d'eau monophasé, des débits de surface libre (p. ex., des interactions de surface d'eau), des débits multiphasés avec des bulles d'air (pour les systèmes d'aération) et des débits de particules chargés (pour le transport des déchets).

Les principales caractéristiques pertinentes pour la simulation de l'aquaculture sont les suivantes :

  • La flexibilité de mesure:[ Les fluides supportent les mailles structurées et non structurées, les cellules polyédriques et le raffinement adaptatif des mailles pour capturer avec précision les géométries complexes comme les panneaux de filet ou les cages de poisson.
  • Modélisation multiphases: Les modèles multiphases du volume de fluide (VOF) et d'eulérien permettent la simulation des interfaces eau-air, des panaches de bulles provenant des aérateurs et du transport des sédiments.
  • Suivi des particules:[ La modélisation en phase discrète (DPM) peut simuler les trajectoires des granulés d'aliments pour poissons ou des déchets solides, ce qui permet d'optimiser les stratégies d'alimentation et les systèmes de collecte des déchets.
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Ces capacités ont fait d'Ansys Fluent l'outil de choix pour les chercheurs et les ingénieurs travaillant sur des projets d'aquaculture durable dans le monde entier.

Flux de travail étape par étape pour l'analyse dynamique des fluides

La réalisation d'une analyse de la DFC à l'aide d'Ansys Fluent suit un processus systématique. Chaque étape nécessite une attention particulière pour assurer des résultats précis et réalisables.

1. Création de modèles et préparation de la géométrie

La première étape consiste à créer une représentation tridimensionnelle du domaine de la pisciculture, incluant la géométrie du réservoir ou de la cage, les tuyaux d'entrée et de sortie, les chicanes, les écrans et tous les éléments structuraux. La géométrie peut être importée du logiciel CAO comme SolidWorks ou créée directement dans Ansys DesignModeler. Pour les stylos nets complexes, la géométrie peut être simplifiée en modélisant le filet comme un milieu poreux avec des coefficients de résistance définis.

2. La mesure

La mesure divise la géométrie en petites cellules où les équations de régulation sont résolues. La qualité du maillage affecte directement la précision et la stabilité de la solution. Pour les applications aquacoles, il est souvent nécessaire de affiner le maillage près des murs, des jets d'entrée et des surfaces libres pour capturer les couches limites et les flux de cisaillement.

3. Mise en place de modèles physiques et de conditions de démarcation

Avant de faire une simulation, l'utilisateur doit définir la physique qui régit les débits de la ferme de poisson, l'eau incompressible avec une densité dépendante de la température est généralement appropriée. Il faut choisir un modèle de turbulence : le modèle k-epsilon convient aux débits de nombres élevés de Reynolds dans les pistes, tandis que le modèle k-omega SST[ gère mieux les débits de parois proches et la séparation pour les réservoirs à obstacles complexes.

4. Solution et convergence

Ansys Fluent résout par itératif les équations de continuité, de moment et de turbulence jusqu'à ce que les résidus tombent à un niveau acceptable (généralement 10-4 pour la plupart des variables). La convergence peut exiger des facteurs de sous-relaxation pour stabiliser la solution, en particulier pour les flux multiphasés.

5. Traitement et interprétation postérieurs à la mise en oeuvre

Les auteurs ont aussi utilisé des outils intégrés pour visualiser les résultats après la solution, à l'aide d'outils intégrés Ansys CFD-Post ou Fluent. Les tracés communs comprennent les champs vectoriels de vitesse, les cartes de contour de la concentration d'oxygène, les lignes de cheminement montrant les trajectoires de débit et les courbes de contrainte de contour des parois des réservoirs.

Études de cas et applications

Optimisation des citernes circulaires avec drainage central

Les réservoirs circulaires avec un drain du centre inférieur sont courants dans les systèmes d'aquaculture en recirculation (RAS) basés sur le sol. Cependant, un positionnement inadéquat des entrées peut créer des flux tourbillonnants qui ne transportent pas efficacement les solides vers le drain. Les chercheurs de l'Université du New Hampshire ont utilisé Ansys Fluent pour tester différents angles de buse et débits d'entrée. Ils ont constaté que les entrées tangentielles combinées à un léger angle vers le bas ont produit un flux de rotation uniforme qui a augmenté l'efficacité de retrait solide de 30%. Lire l'étude complète.

Conception de la piste pour la production de saumons en saumon

Les zones stagnantes se développent souvent aux extrémités de l'entrée et de la sortie. Une équipe de recherche norvégienne a utilisé Ansys Fluent pour analyser un parcours typique et a proposé d'ajouter des vanes guides et une paroi de chicane perforée. La simulation a montré une réduction du volume mort de 15 % à moins de 2 %, ainsi qu'une amélioration de 20 % de l'uniformité de l'oxygène. Les modifications ont été mises en œuvre dans une ferme commerciale, ce qui a entraîné une augmentation de 12 % de la survie des saumoneaux. Détails sur le site Web d'Ansys].

Net Pen Hydrodynamique en aquaculture offshore

Dans une étude, le modèle de milieu poreux FluentS a été étalonné à l'aide de données expérimentales pour la traînée nette et la fraction de volume solide. La simulation a prédit des vitesses de débit interne dans un délai de 5 % des mesures sur le terrain, permettant aux ingénieurs d'optimiser la forme nette et la configuration d'amarrage pour un impact environnemental minimal. En savoir plus sur ce document scientifique.

Avantages de l'analyse de la DFC pour l'aquaculture durable

L'adoption de l'analyse des CFD dans la conception et l'exploitation aquacoles présente de multiples avantages en matière de durabilité :

  • Réduction de la consommation d'énergie:[ Le choix et le placement optimisés des pompes peuvent réduire les coûts de pompage de 25 à 40 % tout en maintenant un débit adéquat.
  • Amélioration de la qualité de l'eau :[ Un meilleur mélange élimine les zones appauvries en oxygène et réduit les pics d'ammoniac, réduisant ainsi le besoin d'échange d'eau.
  • Plutôt environnemental faible:[ L'élimination efficace des déchets empêche la charge des éléments nutritifs dans les eaux environnantes, en s'harmonisant avec les règlements de rejet.
  • Amélioration du bien-être des poissons :[ Un débit uniforme réduit le stress, ce qui entraîne une amélioration des ratios de conversion des aliments et une diminution de la mortalité.
  • Modification de la grille :[ Le prototypage virtuel raccourcit les cycles de développement de mois à jours, accélérant l'innovation dans la conception des fermes.
En fournissant un laboratoire virtuel pour tester des milliers de variantes de conception, des outils comme Ansys Fluent nous permettent d'atteindre des niveaux de contrôle de la qualité de l'eau qui étaient inimaginables il y a une décennie. . . . Dr Elena Martinez, ingénieure en aquaculture et consultante FAO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Orientations futures et intégration

Avec la montée des jumelles numériques, les données de capteurs en temps réel peuvent être intégrées avec les simulations Fluent pour créer des modèles dynamiques qui prédisent les conditions de qualité de l'eau heures à l'avance. Les algorithmes d'apprentissage automatique peuvent accélérer l'optimisation en identifiant des régions de conception prometteuses sans faire de simulations complètes.

Une autre tendance prometteuse est de combiner CFD et modèles biologiques. Par exemple, un modèle de croissance des poissons peut être lié à des prévisions de l'oxygène et de la température de Fluent à des prévisions du rendement de biomasse selon différents scénarios de débit.

Ansys offre une version gratuite des étudiants avec des mailles limitées, permettant aux établissements d'enseignement d'intégrer la simulation de l'aquaculture dans leurs programmes. Alors que la puissance de calcul continue de baisser, même les petites exploitations pourront exploiter ces techniques pour améliorer la durabilité et la rentabilité.

En conclusion, la dynamique des fluides est au cœur du succès de l'aquaculture.L'utilisation d'Ansys Fluent pour analyser et optimiser les schémas de débit de l'eau offre une voie puissante vers une production alimentaire plus durable.Que ce soit pour concevoir un réservoir de RAS de jardin ou un stylo offshore de plusieurs millions de dollars, les ingénieurs et les agriculteurs qui embrassent le CFD seront mieux équipés pour répondre à la demande mondiale croissante de produits de la mer tout en protégeant les écosystèmes aquatiques. Le rapport FAO=2024 sur l'aquaculture durable souligne que les innovations technologiques, y compris la simulation avancée, sont essentielles pour atteindre les objectifs de développement durable de l'ONU pour une faim zéro et une vie en dessous de l'eau.

En intégrant les outils informatiques dans la pratique quotidienne, l'industrie aquacole peut continuer à se développer de façon responsable, en veillant à ce que la pisciculture demeure une source viable et écologiquement rationnelle de protéines pour les générations à venir.