تدفق الهواء

تدفق الهواء هو حركة الهواء. يتصرف الهواء بطريقة سائلة ، أي أن الجزيئات تتدفق بشكل طبيعي من مناطق الضغط العالي إلى مناطق الضغط المنخفض. يرتبط ضغط الهواء الجوي ارتباطًا مباشرًا بالارتفاع ودرجة الحرارة والتركيب. ^{[ 1 ]}

في الهندسة ، يُقاس تدفق الهواء بكمية الهواء المتدفقة عبر جهاز معين في وحدة زمنية. ويمكن وصفه إما بمعدل تدفق حجمي (حجم الهواء في وحدة الزمن) أو بمعدل تدفق كتلي (كتلة الهواء في وحدة الزمن). ويربط بين هذين الوصفين كثافة الهواء، التي تعتمد على الضغط ودرجة الحرارة وفقًا لقانون الغازات المثالية. ويمكن إحداث تدفق الهواء بوسائل ميكانيكية (مثل تشغيل مروحة كهربائية أو يدوية) أو بشكل تلقائي، تبعًا لفروق الضغط الموجودة في البيئة.

كأي سائل، قد يُظهر الهواء أنماط تدفق انسيابي واضطرابي . يحدث التدفق الانسيابي عندما يتدفق الهواء بسلاسة، ويُظهر منحنى سرعة مكافئًا ؛ بينما يحدث التدفق المضطرب عند وجود اضطراب (مثل خلل في السطح الذي يتدفق عليه السائل)، مما يُغير اتجاه الحركة. ويُظهر التدفق المضطرب منحنى سرعة مسطحًا. ^{[ 2 ]} تصف منحنيات سرعة حركة السوائل التوزيع المكاني لمتجهات السرعة اللحظية عبر مقطع عرضي مُحدد. ويُحدد شكل منحنى السرعة عواملٌ منها حجم وشكل التكوين الهندسي الذي يتحرك السائل من خلاله، وخصائص السائل (مثل اللزوجة)، والاضطرابات الفيزيائية التي تُؤثر على التدفق، والمكونات الهندسية (مثل المضخات) التي تُضيف طاقةً إلى التدفق. عمومًا، في التدفقات المُحاطة، تكون متجهات السرعة اللحظية أكبر في منتصف المنحنى نتيجةً لتأثير الاحتكاك الناتج عن مادة جدران الأنبوب أو القناة على طبقات السائل المُجاورة. في التدفقات الجوية التروبوسفيرية، تزداد السرعة مع الارتفاع عن سطح الأرض نتيجة الاحتكاك الناتج عن العوائق كالأشجار والتلال التي تُبطئ تدفق الهواء قرب السطح. يُقاس مستوى الاحتكاك بمعامل يُسمى "طول الخشونة". تربط خطوط الانسياب السرعات وتكون مماسية للاتجاه اللحظي لمتجهات السرعة المتعددة. قد تكون هذه الخطوط منحنية ولا تتبع دائمًا شكل الوعاء. إضافةً إلى ذلك، لا توجد إلا في التدفقات المستقرة، أي التدفقات التي لا تتغير متجهات سرعتها بمرور الوقت. في التدفق الصفائحي، تتحرك جميع جزيئات المائع في خطوط متوازية، مما يُنتج خطوط انسياب متوازية. أما في التدفق المضطرب، فتتحرك الجزيئات في اتجاهات عشوائية وفوضوية، مما يُنتج خطوط انسياب منحنية وحلزونية، وغالبًا ما تتقاطع.

يُستخدم عدد رينولدز ، وهو نسبة تُشير إلى العلاقة بين قوى اللزوجة وقوى القصور الذاتي في المائع، للتنبؤ بالانتقال من التدفق الصفائحي إلى التدفق المضطرب. يحدث التدفق الصفائحي عند أعداد رينولدز المنخفضة حيث تسود قوى اللزوجة، بينما يحدث التدفق المضطرب عند أعداد رينولدز المرتفعة حيث تسود قوى القصور الذاتي. يعتمد نطاق عدد رينولدز الذي يُحدد كل نوع من أنواع التدفق على ما إذا كان الهواء يتحرك عبر أنبوب، أو قناة واسعة، أو قناة مفتوحة، أو حول أسطح انسيابية. كما يُمكن لعدد رينولدز أن يُحدد خصائص جسم (على سبيل المثال، جسيم تحت تأثير الترسيب بفعل الجاذبية) يتحرك عبر مائع. يُمكن تطبيق هذا العدد والمفاهيم ذات الصلة لدراسة التدفق في أنظمة من جميع المقاييس. يُعد التدفق الانتقالي مزيجًا من الاضطراب في مركز منحنى السرعة والتدفق الصفائحي بالقرب من الحواف. لكل من هذه التدفقات الثلاثة آليات مميزة لفقدان طاقة الاحتكاك، مما يُؤدي إلى سلوكيات مختلفة. ونتيجة لذلك، يتم استخدام معادلات مختلفة للتنبؤ بسلوك كل نوع من أنواع التدفق وتحديده كمياً.

تتغير سرعة تدفق المائع حول جسم ما بتغير المسافة من سطحه. تُعرف المنطقة المحيطة بالجسم، حيث تقترب سرعة الهواء من الصفر، بالطبقة الحدية . ^{[ 3 ]} وهنا يكون احتكاك السطح هو العامل الأكثر تأثيرًا على التدفق؛ إذ قد تؤثر عدم انتظام الأسطح على سُمك الطبقة الحدية، وبالتالي تُعطّل التدفق. ^{[ 2 ]}

الوحدات النموذجية للتعبير عن تدفق الهواء هي: ^{[ 4 ]}

يُطلق على الجهاز الذي يقيس تدفق الهواء اسم مقياس تدفق الهواء . كما تُستخدم مقاييس سرعة الرياح لقياس سرعة الرياح وتدفق الهواء داخل المباني.

توجد أنواع مختلفة، بما في ذلك مقاييس سرعة الرياح ذات المجس المستقيم، المصممة لقياس سرعة الهواء والضغط التفاضلي ودرجة الحرارة والرطوبة؛ ومقاييس سرعة الرياح ذات الريش الدوار ، المستخدمة لقياس سرعة الهواء والتدفق الحجمي؛ ومقاييس سرعة الرياح ذات الكرة الساخنة.

قد تستخدم أجهزة قياس سرعة الرياح الموجات فوق الصوتية أو الأسلاك المقاومة لقياس انتقال الطاقة بين جهاز القياس والجسيمات المارة. فعلى سبيل المثال، يسجل مقياس سرعة الرياح ذو السلك الساخن انخفاض درجة حرارة السلك، والذي يمكن ترجمته إلى سرعة تدفق الهواء من خلال تحليل معدل التغير. يُعد التبريد بالحمل الحراري دالةً لمعدل تدفق الهواء، وتعتمد المقاومة الكهربائية لمعظم المعادن على درجة حرارة المعدن، والتي تتأثر بالتبريد بالحمل الحراري. ^{[ 5 ]} وقد استفاد المهندسون من هذه الظواهر الفيزيائية في تصميم واستخدام مقاييس سرعة الرياح ذات السلك الساخن. بعض هذه الأجهزة قادرة على حساب تدفق الهواء، ودرجة حرارة البصيلة الرطبة، ونقطة الندى، والاضطراب.

يمكن محاكاة تدفق الهواء باستخدام نمذجة ديناميكيات الموائع الحسابية (CFD)، أو رصده تجريبياً من خلال تشغيل نفق هوائي . ويمكن استخدام ذلك للتنبؤ بأنماط تدفق الهواء حول السيارات والطائرات والسفن، فضلاً عن اختراق الهواء لغلاف المبنى. ولأن نماذج CFD "تتتبع أيضاً تدفق المواد الصلبة عبر النظام" ^{[ 6 ]} ، فيمكن استخدامها لتحليل تركيزات التلوث في البيئات الداخلية والخارجية. وتأتي الجسيمات العالقة المتولدة داخل المباني عموماً من الطهي بالزيت وأنشطة الاحتراق مثل حرق الشموع أو الحطب. أما في البيئات الخارجية، فتأتي الجسيمات العالقة من مصادر مباشرة مثل انبعاثات عوادم مركبات محركات الاحتراق الداخلي الناتجة عن احتراق الوقود (المنتجات البترولية)، والرياح، والتربة، وبشكل غير مباشر من الأكسدة الجوية للمركبات العضوية المتطايرة ، وثاني أكسيد الكبريت ، وأكاسيد النيتروجين.

يُطلق على أحد أنواع المعدات التي تنظم تدفق الهواء في القنوات اسم " المخمد" . يُمكن استخدام المخمد لزيادة تدفق الهواء أو تقليله أو إيقافه تمامًا. أما جهاز معالجة الهواء فهو جهاز أكثر تعقيدًا، لا يقتصر دوره على تنظيم تدفق الهواء فحسب، بل يمتلك أيضًا القدرة على توليده وتكييفه . تُولّد المراوح تدفقات هواء من خلال "إنتاج تدفقات هواء ذات حجم كبير وضغط منخفض (وإن كان أعلى من الضغط المحيط)". هذا الفرق في الضغط الناتج عن المروحة هو ما يُسبب تدفق الهواء. يتحدد اتجاه تدفق الهواء باتجاه تدرج الضغط. يتحدد الارتفاع الكلي أو الساكن للضغط، وبالتالي معدل تدفق الهواء، بشكل أساسي بسرعة المروحة المقاسة بالدورات في الدقيقة (RPM). ^{[ 7 ]} للتحكم في أنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) لتعديل معدل تدفق الهواء، يتم عادةً تغيير سرعة المروحة، والتي غالبًا ما تأتي بثلاث فئات: منخفضة، ومتوسطة، وعالية.

يُعد قياس تدفق الهواء ضروريًا في العديد من التطبيقات مثل التهوية (لتحديد كمية الهواء التي يتم استبدالها)، والنقل الهوائي (للتحكم في سرعة الهواء ومرحلة النقل) ^{[ 8 ]} والمحركات (للتحكم في نسبة الهواء إلى الوقود ).

الديناميكا الهوائية هي فرع من فروع ديناميكا الموائع (الفيزياء) يهتم تحديدًا بقياس ومحاكاة والتحكم في تدفق الهواء. ^{[ 3 ]} وتُعد إدارة تدفق الهواء ذات أهمية بالغة للعديد من المجالات، بما في ذلك الأرصاد الجوية ، والطيران ، والطب، ^{[ 9 ]} والهندسة الميكانيكية ، والهندسة المدنية ، والهندسة البيئية ، وعلوم البناء .

في علم البناء، غالبًا ما يُتناول تدفق الهواء من حيث أهميته، على سبيل المثال عند المقارنة بين التهوية والتسرب . تُعرَّف التهوية بأنها التدفق المرغوب للهواء النقي الخارجي إلى مساحة أخرى، عادةً ما تكون داخلية، مع طرد هواء العادم من الداخل إلى الخارج في الوقت نفسه. يمكن تحقيق ذلك بوسائل ميكانيكية (مثل استخدام فتحة تهوية أو صمام لسحب الهواء ومروحة لتحفيز التدفق عبر مجاري الهواء) أو من خلال استراتيجيات سلبية (تُعرف أيضًا بالتهوية الطبيعية ). في حين أن التهوية الطبيعية لها فوائد اقتصادية مقارنةً بالتهوية الميكانيكية لأنها تتطلب عادةً استهلاكًا أقل بكثير للطاقة التشغيلية، إلا أنه لا يمكن استخدامها إلا خلال أوقات معينة من اليوم وفي ظل ظروف خارجية محددة. إذا كان هناك فرق كبير في درجة الحرارة بين الهواء الخارجي والهواء المكيف داخل المبنى، فقد يتسبب استخدام التهوية الطبيعية في أحمال تدفئة أو تبريد غير مقصودة على المساحة، ويزيد من استهلاك الطاقة لأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء للحفاظ على درجات حرارة مريحة ضمن النطاقات التي تحددها درجات حرارة الضبط للتدفئة والتبريد. كما أن للتهوية الطبيعية عيبًا يتمثل في أن جدواها تعتمد على الظروف الخارجية. إذا كان الهواء الخارجي ملوثًا بشكل كبير بتركيزات الأوزون على مستوى سطح الأرض الناتجة عن انبعاثات وسائل النقل أو الجسيمات الدقيقة الناتجة عن حرائق الغابات، على سبيل المثال، فقد يضطر شاغلو المباني السكنية والتجارية إلى إبقاء الأبواب والنوافذ مغلقة للحفاظ على جودة البيئة الداخلية. في المقابل، يتميز تسرب الهواء بأنه تدفق غير متحكم فيه للهواء عبر غلاف مبنى غير محكم الإغلاق، وعادةً ما يقترن بتسرب غير مقصود للهواء المكيف من داخل المبنى إلى خارجه. ^{[ 10 ]}

يمكن تهوية المباني باستخدام الأنظمة الميكانيكية أو الأنظمة السلبية أو الاستراتيجيات، أو مزيج من الاثنين. ^{[ 11 ]}