Воздушный поток, или воздушный поток , — это движение воздуха. Основной причиной воздушного потока является наличие воздуха . Воздух ведет себя как жидкость , то есть частицы естественным образом перетекают из областей с более высоким давлением в те, где давление ниже. Атмосферное давление воздуха напрямую зависит от высоты , температуры и состава. [1]
В технике расход воздуха — это измерение количества воздуха в единицу времени, проходящего через определенное устройство. Его можно описать как объемный расход (объем воздуха в единицу времени) или массовый расход (масса воздуха в единицу времени). Что связывает обе формы описания, так это плотность воздуха, которая является функцией давления и температуры в соответствии с законом идеального газа. Поток воздуха может создаваться механическими средствами (например, с помощью электрического или ручного вентилятора) или может осуществляться пассивно в зависимости от перепада давления, присутствующего в окружающей среде.
Как и любая жидкость, воздух может иметь как ламинарный , так и турбулентный характер течения. Ламинарный поток возникает, когда воздух может течь плавно и имеет параболический профиль скорости ; турбулентный поток возникает, когда имеется неровность (например, нарушение поверхности, по которой течет жидкость), которая изменяет направление движения. Турбулентный поток имеет плоский профиль скорости. [2] Профили скорости движения жидкости описывают пространственное распределение векторов мгновенной скорости по заданному поперечному сечению. Размер и форма геометрической конфигурации, через которую проходит жидкость, свойства жидкости (например, вязкость), физические нарушения потока и конструктивные компоненты (например, насосы), которые добавляют энергию потоку, являются факторами, определяющими скорость потока. профиль выглядит так. Как правило, в замкнутых потоках мгновенные векторы скорости больше по величине в середине профиля из-за эффекта трения материала трубы, воздуховода или стенок канала о близлежащие слои жидкости. В тропосферных атмосферных потоках скорость увеличивается с высотой над уровнем земли из-за трения о препятствия, такие как деревья и холмы, замедляющие поток воздуха у поверхности. Уровень трения количественно определяется параметром, называемым «длиной шероховатости». Линии тока соединяют скорости и касаются мгновенного направления нескольких векторов скорости. Они могут быть изогнутыми и не всегда повторяют форму емкости. Кроме того, они существуют только в установившихся потоках, т. е. потоках, векторы скорости которых не меняются со временем. В ламинарном потоке все частицы жидкости движутся параллельно, что приводит к возникновению параллельных линий тока. В турбулентном потоке частицы движутся в случайных и хаотических направлениях, что приводит к появлению искривленных, спиралевидных и часто пересекающихся линий тока.
Число Рейнольдса , соотношение, показывающее соотношение между вязкими и инерционными силами в жидкости, можно использовать для прогнозирования перехода от ламинарного потока к турбулентному. Ламинарные течения возникают при низких числах Рейнольдса, когда доминируют силы вязкости, а турбулентные потоки возникают при высоких числах Рейнольдса, когда доминируют силы инерции. Диапазон числа Рейнольдса, определяющего каждый тип потока, зависит от того, движется ли воздух через трубу, широкий воздуховод, открытый канал или вокруг аэродинамических профилей. Число Рейнольдса также может характеризовать объект (например, частицу, находящуюся под действием гравитационного осаждения), движущийся в жидкости. Это число и связанные с ним концепции можно применять для изучения течения в системах всех масштабов. Переходное течение представляет собой смесь турбулентности в центре профиля скорости и ламинарного течения вблизи краев. Каждый из этих трех потоков имеет разные механизмы потерь энергии на трение, которые приводят к различному поведению. В результате для прогнозирования и количественной оценки поведения каждого типа потока используются различные уравнения.
Скорость, с которой жидкость течет мимо объекта, меняется в зависимости от расстояния от поверхности объекта. Область вокруг объекта, где скорость воздуха приближается к нулю, называется пограничным слоем . [3] Именно здесь поверхностное трение больше всего влияет на поток; Неровности поверхностей могут повлиять на толщину пограничного слоя и, следовательно, нарушить поток. [2]
Типичными единицами измерения воздушного потока являются: [4]
Воздушный поток также можно описать с помощью воздухообмена в час (ACH), что указывает на полную замену объема воздуха, заполняющего рассматриваемое пространство. Эта единица измерения часто используется в области строительства: более высокие значения ACH соответствуют более герметичным оболочкам, типичным для старых зданий, которые менее герметичны.
Прибор, измеряющий расход воздуха, называется расходомером воздуха . Анемометры также используются для измерения скорости ветра и воздушного потока в помещении.
Существует множество типов, в том числе анемометры с прямым зондом, предназначенные для измерения скорости воздуха, перепада давления, температуры и влажности; крыльчатые анемометры , используемые для измерения скорости воздуха и объемного расхода; и анемометры горячих сфер.
В анемометрах может использоваться ультразвук или резистивный провод для измерения передачи энергии между измерительным устройством и проходящими частицами. Например, анемометр с термоанемометром регистрирует снижение температуры провода, которое можно перевести в скорость воздушного потока, анализируя скорость изменения. Конвективное охлаждение является функцией скорости воздушного потока, а электрическое сопротивление большинства металлов зависит от температуры металла, на которую влияет конвективное охлаждение. [5] Инженеры воспользовались этими физическими явлениями при разработке и использовании термоанемометров. Некоторые инструменты способны рассчитывать воздушный поток, температуру по влажному термометру, точку росы и турбулентность.
Воздушный поток можно смоделировать с помощью моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) или наблюдать экспериментально с помощью аэродинамической трубы . Это можно использовать для прогнозирования структуры воздушного потока вокруг автомобилей, самолетов и морских судов, а также проникновения воздуха в ограждающие конструкции зданий. Поскольку модели CFD «также отслеживают поток твердых веществ через систему» [6] , их можно использовать для анализа концентраций загрязнений внутри и снаружи помещений. Твердые частицы, образующиеся в помещении, обычно возникают в результате приготовления пищи с использованием масла и процессов горения, таких как сжигание свечей или дров. В окружающей среде твердые частицы поступают из прямых источников, таких как выбросы из выхлопных труб транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания (ICEV) в результате сжигания топлива (нефтепродуктов), ветров и почвы, а также косвенно из атмосферного окисления летучих органических соединений (ЛОС), диоксида серы ( SO2) и выбросы оксидов азота (NOx).
Один из типов оборудования, регулирующего поток воздуха в воздуховодах, называется заслонкой . Демпфер можно использовать для увеличения, уменьшения или полного прекращения потока воздуха. Более сложное устройство, которое может не только регулировать воздушный поток, но также генерировать и кондиционировать воздушный поток, — это приточно- вытяжной вентилятор . Вентиляторы также генерируют потоки, «создавая воздушные потоки большого объема и низкого давления (хотя и более высокого, чем давление окружающей среды)». Этот перепад давления, создаваемый вентилятором, и заставляет воздух течь. Направление воздушного потока определяется направлением градиента давления. Увеличение общего или статического давления и, следовательно, скорости расширения воздушного потока определяется в первую очередь скоростью вращения вентилятора, измеряемой в оборотах в минуту (об/мин). [7] При управлении системами HVAC для регулирования скорости воздушного потока обычно изменяется скорость вентилятора, которая часто имеет настройки из трех категорий, таких как низкая, средняя и высокая.
Измерение расхода воздуха необходимо во многих приложениях, таких как вентиляция (чтобы определить, сколько воздуха заменяется), пневматическая транспортировка (для контроля скорости воздуха и фазы транспортировки) [8] и двигатели (для контроля соотношения воздух-топливо ).
Аэродинамика — это раздел гидродинамики (физики) , который конкретно занимается измерением, моделированием и контролем воздушного потока. [3] Управление воздушным потоком актуально во многих областях, включая метеорологию , аэронавтику , медицину, [9] машиностроение , гражданское строительство , экологическую инженерию и строительную науку .
В строительстве поток воздуха часто рассматривается с точки зрения его желательности, например, при сопоставлении вентиляции и инфильтрации . Вентиляция определяется как желаемый приток свежего наружного приточного воздуха в другое, обычно внутреннее помещение, наряду с одновременным вытеснением отработанного воздуха из помещения на улицу. Этого можно достичь механическими средствами (т.е. использованием жалюзи или заслонки для забора воздуха и вентилятора для создания потока через воздуховоды) или с помощью пассивных стратегий (также известных как естественная вентиляция ). Хотя естественная вентиляция имеет экономические преимущества перед механической вентиляцией, поскольку обычно требует гораздо меньшего энергопотребления, ее можно использовать только в определенное время суток и при определенных условиях наружного воздуха. Если существует большая разница температур между наружным воздухом и кондиционированным воздухом в помещении, использование естественной вентиляции может вызвать непреднамеренные нагрузки на отопление или охлаждение помещения и увеличить потребление энергии HVAC для поддержания комфортных температур в диапазонах, определяемых заданными температурами отопления и охлаждения. . Естественная вентиляция также имеет тот недостаток, что ее осуществимость зависит от условий окружающей среды; если наружный воздух значительно загрязнен концентрацией приземного озона в результате выбросов, связанных с транспортом, или, например, твердых частиц в результате лесных пожаров, жильцам жилых и коммерческих зданий, возможно, придется держать двери и окна закрытыми, чтобы сохранить качество окружающей среды в помещении (IEQ). Напротив, инфильтрация воздуха характеризуется как неконтролируемый приток воздуха через недостаточно герметичную ограждающую конструкцию здания, обычно в сочетании с непреднамеренной утечкой кондиционированного воздуха изнутри здания наружу. [10]
Здания могут вентилироваться с использованием механических систем, пассивных систем или стратегий или их комбинации. [11]
Механическая вентиляция использует вентиляторы для создания потока воздуха в здании и через него. Конфигурация и сборка воздуховодов влияют на скорость потока воздуха через систему. Демпферы, клапаны, соединения и другие геометрические или материальные изменения внутри воздуховода могут привести к потерям давления потока (энергии). [2]
Стратегии пассивной вентиляции используют преимущества, присущие воздуху, в частности, тепловую плавучесть и перепад давления, для удаления отработанного воздуха изнутри здания. Эффект дымохода приравнивается к использованию дымоходов или подобных высоких помещений с отверстиями вверху для пассивного вытягивания отработанного воздуха вверх и из помещения благодаря тому, что воздух будет подниматься при повышении его температуры (по мере увеличения объема и снижения давления). Пассивная вентиляция с приводом от ветра зависит от конфигурации здания, ориентации и распределения отверстий, чтобы использовать движение наружного воздуха. Перекрестная вентиляция требует стратегически расположенных отверстий с учетом местных ветровых режимов.
Воздушный поток является фактором, вызывающим беспокойство при проектировании с учетом стандартов теплового комфорта пассажиров (таких как ASHRAE 55 ). Различная скорость движения воздуха может положительно или отрицательно повлиять на восприятие людьми тепла или прохлады и, следовательно, на их комфорт. [12] Скорость воздуха зависит от температуры воздуха, относительной влажности, температуры излучения окружающих поверхностей и пассажиров, а также проводимости кожи пассажиров, что приводит к особым тепловым ощущениям.
Достаточный, правильно контролируемый и спроектированный воздушный поток (вентиляция) важен для общего качества окружающей среды в помещении (IEQ) и качества воздуха в помещении (IAQ), поскольку он обеспечивает необходимую подачу свежего воздуха и эффективно удаляет отработанный воздух. [2]