Los sistemas de recirculación de acuicultura (RAS) han revolucionado la forma en que cultivamos peces, proporcionando un método sostenible y eficiente para producir mariscos de alta calidad. Sin embargo, optimizar el rendimiento de estos sistemas requiere una comprensión profunda de las complejas interacciones entre el campo de flujo y los peces que se cultivan.
Un estudio reciente publicado en la revista Ocean Engineering, por investigadores de la Dalian Ocean University, arroja luz sobre el papel crucial de la natación de los peces en la conformación de la hidrodinámica de los tanques de acuicultura, destacando la importancia de incorporar el comportamiento de los peces en los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD).
Estudios de la hidrodinámica de los tanques
Tradicionalmente, los estudios sobre la hidrodinámica de los tanques de acuicultura han descuidado la presencia de peces, simplificando la dinámica del campo de flujo como un fenómeno puramente físico. Sin embargo, este enfoque pasa por alto el impacto significativo que la natación de los peces puede tener en el régimen de flujo.
Los investigadores detrás de este estudio utilizaron CFD para simular la dinámica del campo de flujo de un tanque de acuicultura, teniendo en cuenta el movimiento de natación de los peces.
Dinámica de fluidos computacional (CFD)
La dinámica de fluidos computacional (CFD) ha acelerado el rápido desarrollo de los sistemas de acuicultura de recirculación, brindando numerosos beneficios sobre los experimentos tradicionales. Las simulaciones de CFD facilitan la implementación de la optimización de múltiples modelos, reducen las duraciones experimentales y disminuyen los gastos. Los experimentos están validando cada vez más la precisión de las simulaciones numéricas, y la CFD ha demostrado una mayor precisión en la predicción de los tiempos de circulación, retención y mezcla en los tanques de acuicultura.
Las técnicas de CFD monitorean los indicadores hidrodinámicos, lo que facilita los ajustes de los parámetros estructurales para establecer entornos óptimos de campo de flujo en tanques de cultivo. Las estructuras geométricas, incluidos los diseños de toma de agua y las configuraciones de los tanques, se optimizan para mejorar las condiciones del campo de flujo. La CFD también ofrece una plataforma prometedora para la distribución y optimización de la materia particulada y el oxígeno disuelto en tanques de acuicultura.
Los principales hallazgos
Sus hallazgos demuestran que la presencia y la natación de los peces pueden tener un profundo efecto en las condiciones de flujo en el tanque, con distintos grados de impacto dependiendo de factores como el tamaño del pez, la velocidad de natación y la geometría del tanque.
Los autores del estudio validaron su modelo CFD utilizando experimentos de modelado físico, lo que confirmó la precisión de sus simulaciones. También identificaron el ajuste de la velocidad de entrada como uno de los métodos más efectivos para optimizar las condiciones del campo de flujo en el tanque.
Implicaciones para el diseño de tanques de cultivo
El estudio presenta varias implicaciones importantes para los piscicultores que utilizan sistemas de acuicultura de recirculación (RAS). Aquí están las principales:
- Impacto de la presencia y movimiento de los peces: La investigación destaca que la presencia y el movimiento de los peces tienen un impacto significativo en la hidrodinámica de los tanques. Los peces en movimiento generan turbulencia y disipación de energía, alterando los patrones de flujo y la distribución de la energía dentro del tanque. Esto significa que los piscicultores deben ser conscientes de que la dinámica del flujo en sus tanques se ve afectada por la actividad de los peces, y no solo por el diseño del tanque y las condiciones de entrada y salida del agua.
- Reducción de la velocidad del flujo: Los peces, al nadar, pueden reducir la velocidad del flujo dentro del tanque. Específicamente, los peces nadando contra la corriente disminuyen la velocidad del flujo entre un 12.5% y un 16.7%, mientras que los peces en nado circular lo reducen entre un 25% y un 35.4%. Esto es crucial para el manejo de los tanques, ya que una reducción en la velocidad del flujo puede afectar la distribución de oxígeno disuelto, la eliminación de residuos y la eficiencia de alimentación. Los piscicultores deben ajustar sus sistemas para compensar esta reducción de velocidad y asegurarse de que haya condiciones hidrodinámicas adecuadas para el bienestar de los peces.
- Disminución de la uniformidad del flujo: La presencia de peces también reduce la uniformidad del flujo en los tanques. La investigación muestra que los tanques con peces presentan una homogeneidad del flujo entre 3.5% y 7.1% menor que los tanques sin peces. Una distribución menos uniforme del flujo puede llevar a una distribución desigual de oxígeno y residuos, creando zonas con condiciones menos favorables para los peces. Los piscicultores deben tomar esto en cuenta al diseñar y operar sus tanques, buscando formas de promover una distribución más uniforme del flujo, por ejemplo, ajustando la velocidad de entrada del agua o el diseño del tanque.
- Importancia de la velocidad de entrada: El estudio indica que la velocidad de entrada del agua es un factor clave para determinar la velocidad promedio y la uniformidad del flujo. Aunque aumentar la velocidad de entrada puede incrementar la velocidad promedio, también puede llevar a un mayor consumo de energía y una menor uniformidad del flujo, especialmente en presencia de peces. Los piscicultores deben optimizar la velocidad de entrada para asegurar un flujo adecuado y una distribución eficiente del oxígeno y los nutrientes, mientras minimizan el consumo de energía.
- Impacto en la energía y los vórtices: La presencia de peces aumenta la pérdida de energía en el sistema debido a colisiones y turbulencia. Los peces también alteran la formación de vórtices en el tanque, lo cual puede afectar la capacidad de autolimpieza del mismo. Los piscicultores deben ser conscientes de cómo los peces influyen en estos parámetros y tomar medidas para mantener una buena calidad del agua y reducir el consumo de energía. Esto podría implicar ajustar la forma del tanque para optimizar el flujo y minimizar las zonas muertas.
- Necesidad de modelado numérico: La investigación demuestra que los modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) pueden simular con precisión el impacto del movimiento de los peces en el campo de flujo. Los piscicultores pueden utilizar estos modelos para optimizar el diseño de sus tanques y las estrategias de gestión del agua, mejorando el bienestar de los peces y reduciendo los costos.
Limitaciones del estudio
El estudio presenta varias limitaciones que se deben considerar al interpretar los resultados. Estas limitaciones se pueden resumir de la siguiente manera:
- Distribución artificial de los peces: En la simulación numérica, los peces se distribuyeron de manera uniforme, lo cual no refleja la realidad de la acuicultura, donde la distribución de los peces se ve influenciada por el entorno y las jerarquías sociales. Esta simplificación puede afectar la precisión de las simulaciones del flujo del agua.
- Estados de natación limitados: Los peces en el modelo solo nadaron en dos modos: corriente arriba y en círculo. Estos modos son idealizaciones y no representan completamente los diversos comportamientos de natación que se observan en un entorno acuícola real. Se necesita más investigación sobre las trayectorias de natación autónoma de los peces.
Conclusión
Este estudio destaca la importancia crítica de considerar la natación de los peces en la hidrodinámica de los tanques de acuicultura. Al incorporar el comportamiento de los peces en los modelos de CFD, los investigadores y los profesionales pueden obtener una comprensión más profunda de las interacciones complejas entre el campo de flujo y los peces que se cultivan.
Contacto
Xiao-Zhong Ren
Key Laboratory of Environment Controlled Aquaculture (Dalian Ocean University) Ministry of Education
Dalian, 116023, China
Email: renxiaozhong@dlou.edu.cn
Referencia
Wu, G., Liu, H., Ma, C., Xu, H., Ren, X., & Sun, W. (2025). Developments and application of fish school swimming model in recirculating aquaculture systems. Ocean Engineering, 319, 120196. https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2024.120196
