Воздушный поток, или воздушный поток , — это движение воздуха. Воздух ведет себя как текучая среда , то есть частицы естественным образом перемещаются из областей с более высоким давлением в те, где давление ниже. Атмосферное давление воздуха напрямую связано с высотой , температурой и составом. [1]
В инженерии воздушный поток — это измерение количества воздуха в единицу времени, которое протекает через определенное устройство. Его можно описать как объемный расход (объем воздуха в единицу времени) или массовый расход (масса воздуха в единицу времени). То, что связывает обе формы описания, — это плотность воздуха, которая является функцией давления и температуры по закону идеального газа. Поток воздуха может быть вызван механическими средствами (например, с помощью электрического или ручного вентилятора) или может происходить пассивно, как функция перепадов давления, присутствующих в окружающей среде.
Как и любая жидкость, воздух может демонстрировать как ламинарные , так и турбулентные режимы течения. Ламинарный поток возникает, когда воздух может течь плавно, и демонстрирует параболический профиль скорости ; турбулентный поток возникает, когда есть неровность (например, разрыв поверхности, по которой течет жидкость), которая изменяет направление движения. Турбулентный поток демонстрирует 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 движется жидкость, свойства жидкости (например, вязкость), физические нарушения потока и спроектированные компоненты (например, насосы), которые добавляют энергию потоку, являются факторами, определяющими, как выглядит профиль скорости. Как правило, в закрытых потоках векторы мгновенной скорости больше по величине в середине профиля из-за эффекта трения материала стенок трубы, воздуховода или 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 вблизи поверхности. Уровень трения количественно определяется параметром, называемым «длина шероховатости». Линии тока соединяют скорости и являются касательными к мгновенному направлению нескольких векторов скорости. Они могут быть изогнутыми и не всегда следуют форме контейнера. Кроме того, они существуют только в стационарных потоках, то есть потоках, векторы скорости которых не меняются со временем. В ламинарном потоке все частицы жидкости движутся по параллельным линиям, что приводит к появлению параллельных линий тока. В турбулентном потоке частицы движутся в случайных и хаотических направлениях, что приводит к появлению изогнутых, спиралевидных и часто пересекающихся линий тока.
Число Рейнольдса , отношение, указывающее соотношение между вязкими и инерционными силами в жидкости, может быть использовано для прогнозирования перехода от ламинарного к турбулентному течению. Ламинарные течения возникают при низких числах Рейнольдса, где доминируют вязкие силы, а турбулентные течения возникают при высоких числах Рейнольдса, где доминируют инерционные силы. Диапазон числа Рейнольдса, определяющий каждый тип течения, зависит от того, движется ли воздух по трубе, широкому воздуховоду, открытому каналу или вокруг аэродинамических профилей. Число Рейнольдса также может характеризовать объект (например, частицу под действием гравитационного осаждения), движущийся через жидкость. Это число и связанные с ним концепции могут быть применены для изучения течения в системах всех масштабов. Переходное течение представляет собой смесь турбулентности в центре профиля скорости и ламинарного течения вблизи краев. Каждое из этих трех течений имеет различные механизмы потерь энергии на трение, которые приводят к различному поведению. В результате для прогнозирования и количественной оценки поведения каждого типа потока используются разные 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 на поверхности могут влиять на толщину пограничного слоя и, следовательно, нарушать поток. [2]
Типичные единицы измерения для выражения воздушного потока: [4]
Воздушный поток также можно описать в терминах воздухообмена в час (ACH), что указывает на полную замену объема воздуха, заполняющего рассматриваемое пространство. Эта единица часто используется в области строительной науки, причем более высокие значения ACH соответствуют более дырявым оболочкам, которые типичны для старых зданий, которые менее герметичны.
Прибор, измеряющий поток воздуха, называется измерителем потока воздуха . Анемометры также используются для измерения скорости ветра и потока воздуха в помещении.
Существует множество типов анемометров, включая 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 с горячей сферой.
Анемометры могут использовать ультразвук или резистивную проволоку для измерения передачи энергии между измерительным устройством и проходящим частицами. Например, анемометр с горячей проволокой регистрирует снижение температуры проволоки, что можно перевести в скорость воздушного потока, проанализировав 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 проектировании и использовании анемометров с горячей проволокой. Некоторые инструменты способны рассчитывать воздушный поток, температуру смоченного термометра, точку росы и турбулентность.
Воздушный поток можно моделировать с помощью моделирования вычислительной гидродинамики (CFD) или наблюдать экспериментально с помощью работы аэродинамической трубы . Это может быть использовано для прогнозирования схем воздушного потока вокруг автомобилей, самолетов и морских судов, а также проникновения воздуха в ограждающие конструкции здания. Поскольку модели CFD «также отслеживают поток твердых веществ через систему» [6], их можно использовать для анализа концентраций загрязнений в помещениях и на открытом воздухе. Твердые частицы, образующиеся в помещениях, обычно возникают в результате приготовления пищи на масле и процессов сгорания, таких как горение свечей или дров. На открытом воздухе твердые частицы возникают из прямых источников, таких как выбросы выхлопных труб транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания (ICEV) при сжигании топлива (нефтепродуктов), ветрового потока и почвы, а также косвенно из-за окисления в атмосфере летучих органических соединений (ЛОС), выбросов диоксида серы (SO2) и оксида азота (NOx).
Один из типов оборудования, регулирующего поток воздуха в воздуховодах, называется заслонкой . Заслонка может использоваться для увеличения, уменьшения или полной остановки потока воздуха. Более сложным устройством, которое может не только регулировать поток воздуха, но и имеет возможность генерировать и кондиционировать поток воздуха, является обработчик воздуха . Вентиляторы также генерируют потоки, «создавая потоки воздуха с большим объемом и низким давлением (хотя и выше, чем давление окружающей среды)». Этот перепад давления, создаваемый вентилятором, и является причиной потока воздуха. Направление потока воздуха определяется направлением градиента давления. Общее или статическое повышение давления, а следовательно, и скорость воздушного потока, определяются в первую очередь скоростью вентилятора, измеряемой в оборотах в минуту (RPM). [7] При управлении системами HVAC для модуляции скорости воздушного потока обычно изменяют скорость вентилятора, которая часто бывает трех категорий настроек, таких как низкая, средняя и высокая.
Измерение расхода воздуха необходимо во многих приложениях, таких как вентиляция (для определения объема заменяемого воздуха), пневматическая транспортировка (для контроля скорости воздуха и фазы транспортировки) [8] и двигатели (для контроля соотношения воздух-топливо ).
Аэродинамика — это раздел гидродинамики (физики) , который занимается измерением, моделированием и контролем воздушного потока. [3] Управление воздушным потоком является предметом изучения во многих областях, включая метеорологию , аэронавтику , медицину, [9] машиностроение , гражданское строительство , инженерию окружающей среды и строительную науку .
В строительной науке воздушный поток часто рассматривается с точки зрения его желательности, например, при противопоставлении вентиляции и инфильтрации . Вентиляция определяется как желаемый поток свежего наружного воздуха в другое, обычно внутреннее, пространство, вместе с одновременным вытеснением отработанного воздуха из помещения на улицу. Это может быть достигнуто с помощью механических средств (т. е. использования 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 по сравнению с механической вентиляцией, поскольку она обычно требует гораздо меньшего эксплуатационного потребления энергии, ее можно использовать только в определенное время суток и при определенных наружных условиях. Если существует большая разница температур между наружным воздухом и кондиционированным воздухом в помещении, использование естественной вентиляции может привести к непреднамеренным нагрузкам на отопление или охлаждение помещения и увеличить потребление энергии HVAC для поддержания комфортной температуры в пределах, определяемых заданными температурами отопления и охлаждения. Естественная вентиляция также имеет недостаток, заключающийся в том, что ее осуществимость зависит от наружных условий; Если наружный воздух значительно загрязнен приземными концентрациями озона из-за транспортных выбросов или твердых частиц из-за лесных пожаров, например, жильцы и жилые помещения коммерческих зданий могут быть вынуждены держать двери и окна закрытыми, чтобы сохранить качество внутренней среды (IEQ). Напротив, инфильтрация воздуха характеризуется как неконтролируемый приток воздуха через недостаточно герметичную оболочку здания, обычно в сочетании с непреднамеренной утечкой кондиционированного воздуха из внутренней части здания наружу. [10]
Вентиляция зданий может осуществляться 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. Заслонки, клапаны, соединения и другие геометрические или материальные изменения в воздуховоде могут привести к потерям давления потока (энергии). [2]
Стратегии пассивной вентиляции используют преимущества присущих воздуху характеристик, в частности, тепловой плавучести и перепадов давления, для удаления отработанного воздуха из здания. Эффект дымовой трубы эквивалентен использованию дымоходов или подобных высоких пространств с отверстиями вблизи вершины для пассивного вытягивания отработанного воздуха вверх и из пространства, благодаря тому, что воздух будет подниматься при повышении его температуры (по мере увеличения объема и снижения давления). Пассивная вентиляция с помощью ветра зависит от конфигурации здания, ориентации и распределения отверстий, чтобы использовать движение наружного воздуха. Перекрестная вентиляция требует стратегически расположенных отверстий, соответствующих местным ветровым моделям.
Воздушный поток является фактором, который следует учитывать при проектировании с целью соответствия стандартам теплового комфорта для жильцов (например, ASHRAE 55 ). Различная скорость движения воздуха может положительно или отрицательно влиять на восприятие тепла или прохлады людьми, а значит, и на их комфорт. [12] Скорость воздуха взаимодействует с температурой воздуха, относительной влажностью, температурой излучения окружающих поверхностей и жильцов, а также проводимостью кожи жильцов, что приводит к определенным тепловым ощущениям.
Достаточный, должным образом контролируемый и спроектированный поток воздуха (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]