شارش هوا

شارش هوا یا هواشارش (انگلیسی: Airflow)، یا جریان هوا، به حرکت هوا گفته می‌شود. هوا مانند یک سیال رفتار می‌کند، به این معنا که ذرات آن به‌طور طبیعی از نواحی با فشار بالاتر به‌سمت نواحی با فشار پایین‌تر جریان می‌یابند. فشار هوای جوّی مستقیماً به فرازا، دما و ترکیب هوا وابسته است.^[۱]

در مهندسی، شارش هوا به‌عنوان اندازه‌گیری مقدار هوایی که در واحد زمان از میان یک دستگاه معین عبور می‌کند تعریف می‌شود. این کمیت را می‌توان به‌صورت نرخ جریان حجمی (حجم هوا در واحد زمان) یا نرخ جریان جرمی (جرم هوا در واحد زمان) بیان کرد. آنچه این دو نوع توصیف را به هم پیوند می‌دهد، چگالی هوا است که خود، از طریق قانون گاز آٰرمانی، تابعی از فشار و دما است. جریان هوا می‌تواند به‌صورت مکانیکی (مانند به‌کارگیری یک پنکه برقی یا دستی) یا به‌صورت غیرفعال، به‌عنوان تابعی از اختلاف‌های فشار موجود در محیط، ایجاد شود.

انواع

هوا، مانند هر سیال دیگری، می‌تواند هم الگوهای جریان آرام و هم الگوهای جریان آشفته از خود نشان دهد. جریان آرام هنگامی رخ می‌دهد که هوا بتواند به‌آرامی جریان یابد و یک نمایه سرعت سهمی‌شکل از خود نشان دهد؛ جریان آشفته هنگامی رخ می‌دهد که یک بی‌نظمی (مانند اختلال در سطحی که سیال روی آن جریان دارد) وجود داشته باشد که جهت حرکت را تغییر می‌دهد. جریان آشفته نمایه سرعتی مسطح از خود نشان می‌دهد.^[۲] نمایه‌های سرعت حرکت سیال، توزیع مکانی بردارهای سرعت لحظه‌ای را در طول یک سطح مقطع معین توصیف می‌کنند. اندازه و شکل پیکربندی هندسی که سیال از میان آن عبور می‌کند، خواص سیال (مانند گران‌روی)، اختلال‌های فیزیکی وارد بر جریان و اجزای مهندسی‌شده (مانند پمپ‌ها) که به جریان انرژی می‌افزایند، از عواملی هستند که شکل نمایه سرعت را تعیین می‌کنند. به‌طور کلی، در جریان‌های محصورشده، بردارهای سرعت لحظه‌ای در میانه نمایه، به‌دلیل اثر اصطکاک ناشی از جنس دیواره‌های لوله، مجرا یا کانال بر لایه‌های مجاور سیال، از بزرگی بیشتری برخوردارند. در جریان‌های جوی تروپوسفری، سرعت با ارتفاع از سطح زمین افزایش می‌یابد، زیرا اصطکاک ناشی از موانعی مانند درختان و تپه‌ها، هواشارش را در نزدیکی سطح کند می‌کند. میزان این اصطکاک را با پارامتری به‌نام «طول زبری» بیان می‌کنند. خطوط جریان، سرعت‌ها را به هم متصل می‌کنند و بر جهت لحظه‌ای چندین بردار سرعت مماس هستند. این خطوط می‌توانند خمیده باشند و همیشه از شکل ظرف پیروی نمی‌کنند. افزون بر این، این خطوط تنها در جریان‌های پایا، یعنی جریان‌هایی که بردارهای سرعتشان در طول زمان تغییر نمی‌کند، وجود دارند. در جریان آرام، همه ذرات سیال در مسیرهای موازی حرکت می‌کنند که به خطوط جریان موازی می‌انجامد. در جریان مغشوش، ذرات در جهت‌های تصادفی و آشوبناک حرکت می‌کنند که به خطوط جریان خمیده، مارپیچ و اغلب متقاطع می‌انجامد.

عدد رینولدز، که نسبتی است نشان‌دهنده رابطه میان نیروهای گران‌رو و نیروهای اینرسی در یک سیال، می‌تواند برای پیش‌بینی گذار از جریان آرام به جریان مغشوش به‌کار رود. جریان‌های آرام در اعداد رینولدز پایین رخ می‌دهند، جایی که نیروهای گران‌رو غالب هستند، و جریان‌های مغشوش در اعداد رینولدز بالا رخ می‌دهند، جایی که نیروهای اینرسی غالب هستند. بازه عدد رینولدز که هر نوع جریان را تعریف می‌کند، بسته به این‌که هوا از میان یک لوله، کانال پهن، مجرای باز یا اطراف ایرفویل‌ها عبور می‌کند، متفاوت است. عدد رینولدز همچنین می‌تواند یک جسم (برای نمونه، یک ذره تحت تأثیر ته‌نشینی گرانشی) را که از میان یک سیال عبور می‌کند مشخص کند. این عدد و مفاهیم وابسته به آن را می‌توان برای مطالعه جریان در سامانه‌هایی در همه مقیاس‌ها به‌کار برد. جریان گذرا آمیزه‌ای از آشفتگی در مرکز نمایه سرعت و جریان آرام در نزدیکی لبه‌هاست. هر یک از این سه جریان سازوکارهای متمایزی از اتلاف انرژی اصطکاکی دارند که به رفتارهای متفاوتی می‌انجامند. در نتیجه، برای پیش‌بینی و کمّی‌سازی رفتار هر نوع جریان، از معادلات متفاوتی استفاده می‌شود.

سرعتی که یک سیال از کنار یک جسم عبور می‌کند، با فاصله از سطح آن جسم تغییر می‌کند. ناحیه‌ای که پیرامون یک جسم قرار دارد و در آن سرعت هوا به صفر نزدیک می‌شود، لایه مرزی نامیده می‌شود.^[۳] در همین ناحیه است که اصطکاک سطحی بیشترین تأثیر را بر جریان دارد؛ بی‌نظمی‌های سطحی می‌توانند بر ضخامت لایه مرزی اثر بگذارند و از این‌رو جریان را مختل کنند.^[۲]

یکاها

یکاهای رایج برای بیان شارش هوا عبارت‌اند از:^[۴]

بر پایه حجم

m³/min (متر مکعب در دقیقه)
m³/h (متر مکعب در ساعت)
ft³/h (فوت مکعب در ساعت)
ft³/min (فوت مکعب در دقیقه، معروف به CFM)
l/s (لیتر در ثانیه)

بر پایه جرم

kg/s (کیلوگرم در ثانیه)

شارش هوا را همچنین می‌توان بر حسب تعداد تعویض هوا در ساعت (ACH) توصیف کرد، که نشان‌دهنده جایگزینی کامل حجم هوای پرکننده فضای مورد نظر است. این واحد در حوزه علم ساختمان کاربرد فراوان دارد، و مقادیر بالاتر ACH با پوسته‌های نشتی‌تری متناظرند که معمولاً در ساختمان‌های قدیمی‌تر و کم‌آب‌بندتر دیده می‌شوند.

اندازه‌گیری

ابزاری که شارش هوا را اندازه‌گیری می‌کند، هواشارش‌سنج نامیده می‌شود. بادسنج‌ها نیز برای اندازه‌گیری سرعت باد و شارش هوای داخلی به‌کار می‌روند. انواع گوناگونی از این ابزارها وجود دارد، از جمله بادسنج‌های پروب مستقیم که برای اندازه‌گیری سرعت هوا، فشار افتراقی، دما و رطوبت طراحی شده‌اند؛ بادسنج‌های پره‌چرخان که برای اندازه‌گیری سرعت هوا و جریان حجمی به‌کار می‌روند؛ و بادسنج‌ها کره‌داغ.

بادسنج‌ها ممکن است از فراصوت یا سیم مقاومتی برای اندازه‌گیری انتقال انرژی میان دستگاه اندازه‌گیری و ذرات عبوری استفاده کنند. برای نمونه، یک بادسنج سیم‌داغ کاهش دمای سیم را ثبت می‌کند، که با تحلیل نرخ تغییر آن می‌توان آن را به سرعت شارش هوا تبدیل کرد. خنک‌سازی همرفتی تابعی از نرخ شارش هوا است، و مقاومت الکتریکی بیشتر فلزها به دمای فلز وابسته است، که خود تحت تأثیر خنک‌سازی همرفتی قرار دارد.^[۵] مهندسان از این پدیده‌های فیزیکی در طراحی و کاربرد بادسنج‌های سیم‌داغ بهره برده‌اند. برخی ابزارها توانایی محاسبه هواشارش، دمای تر، نقطه شبنم و آشفتگی را نیز دارند.

شبیه‌سازی

شارش هوا را می‌توان با مدل‌سازی دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) شبیه‌سازی کرد، یا از راه به‌کارگیری یک تونل باد به‌طور تجربی مشاهده کرد. این روش‌ها می‌توانند برای پیش‌بینی الگوهای شارش هوا پیرامون خودروها، هواپیماها و شناورهای دریایی، و نیز نفوذ هوا به پوسته ساختمان به‌کار روند. از آنجا که مدل‌های CFD «همچنین جریان جامدات را در یک سامانه ردیابی می‌کنند»،^[۶] می‌توان از آن‌ها برای تحلیل غلظت آلایندگی در محیط‌های داخلی و بیرونی نیز استفاده کرد. ذرات معلق تولیدشده در فضای داخلی معمولاً از پخت‌وپز با روغن و فعالیت‌های احتراقی مانند سوزاندن شمع یا چوب ناشی می‌شوند. در محیط‌های بیرونی، ذرات معلق از منابع مستقیمی مانند گاز اگزوز خودروهای با موتور احتراق داخلی ناشی از سوختن سوخت (فرآورده‌های نفتی)، بادِ خاک و گرد و غبار، و به‌طور غیرمستقیم از اکسیداسیون جوی ترکیبات آلی فرار (VOCs)، گوگرد دی‌اکسید (SO2) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) ناشی می‌شود.

کنترل

یک نوع تجهیزات که شارش هوا را در کانال‌ها تنظیم می‌کند، «دمپر» نامیده می‌شود. دمپر می‌تواند برای افزایش، کاهش یا توقف کامل جریان هوا به‌کار رود. دستگاهی پیچیده‌تر که نه‌تنها می‌تواند شارش هوا را تنظیم کند، بلکه توانایی تولید و شرطی‌سازی شارش هوا را نیز دارد، «واحد هواساز» نامیده می‌شود. پنکه‌ها نیز با «تولید جریان‌های هوا با حجم بالا و فشار پایین (هرچند بالاتر از فشار محیط)» جریان ایجاد می‌کنند. این اختلاف فشار ناشی از پنکه است که موجب جریان‌یافتن هوا می‌شود. جهت شارش هوا با جهت گرادیان فشار تعیین می‌شود. افزایش فشار کل یا فشار ساکن، و در نتیجه نرخ هواشارش، در درجه نخست با سرعت پنکه که بر حسب دور در دقیقه (RPM) اندازه‌گیری می‌شود تعیین می‌شود.^[۷] در کنترل سامانه‌های HVAC برای تعدیل نرخ هواشارش، معمولاً سرعت پنکه تغییر داده می‌شود، که اغلب در تنظیمات سه‌دسته‌ای مانند کم، متوسط و زیاد ارائه می‌شود.

کاربردها

اندازه‌گیری شارش هوا در کاربردهای بسیاری ضروری است، مانند تهویه (برای تعیین میزان جایگزینی هوا)، انتقال بادی (برای کنترل سرعت هوا و فاز انتقال)^[۸] و موتورها (برای کنترل نسبت هوا-سوخت).

آیرودینامیک شاخه‌ای از دینامیک سیالات است که به‌طور خاص به اندازه‌گیری، شبیه‌سازی و کنترل هواشارش می‌پردازد.^[۳] مدیریت هواشارش موضوع مورد توجه بسیاری از حوزه‌ها است، از جمله هواشناسی، هوانوردی، پزشکی،^[۹] مهندسی مکانیک، مهندسی عمران، مهندسی محیط زیست و دانش ساختمان.

دانش ساختمان

در دانش ساختمان، شارش هوا اغلب از منظر مطلوبیت آن بررسی می‌شود، برای نمونه در تقابل میان تهویه و نفوذ هوا. تهویه به‌عنوان جریان مطلوب هوای تازه بیرونی به فضایی دیگر، که معمولاً فضایی داخلی است، همراه با اخراج همزمان هوای مصرف‌شده از داخل به بیرون، تعریف می‌شود. این امر را می‌توان از راه ابزارهای مکانیکی (یعنی به‌کارگیری دریچه یا دمپر برای مکش هوا و پنکه‌ای برای ایجاد جریان از میان کانال‌کشی) یا از راه راهبردهای غیرفعال (که با نام تهویه طبیعی نیز شناخته می‌شود) به‌دست‌آورد. با آنکه تهویه طبیعی در مقایسه با تهویه مکانیکی مزایای اقتصادی دارد، زیرا معمولاً به انرژی عملیاتی بسیار کمتری نیاز دارد، تنها در ساعات و شرایط بیرونی معینی قابل استفاده است. اگر اختلاف دمای زیادی میان هوای بیرون و شرایط تهویه‌شده داخل وجود داشته باشد، استفاده از تهویه طبیعی ممکن است بارهای گرمایشی یا سرمایشی ناخواسته‌ای بر فضا وارد کند و مصرف انرژی HVAC برای حفظ دماهای مطلوب در بازه‌های تعیین‌شده گرمایش و سرمایش را افزایش دهد. تهویه طبیعی همچنین این ایراد را دارد که امکان‌پذیری آن به شرایط بیرونی وابسته است؛ برای نمونه، اگر هوای بیرون به‌طور چشمگیری با غلظت‌های ازون سطح زمین ناشی از انتشارات مرتبط با حمل‌ونقل یا ذرات معلق ناشی از آتش‌سوزی‌های جنگلی آلوده باشد، ساکنان ساختمان‌های مسکونی و تجاری ممکن است ناچار شوند درها و پنجره‌ها را بسته نگه دارند تا کیفیت محیط داخلی (IEQ) حفظ شود. در مقابل، نفوذ هوا به‌عنوان ورود کنترل‌نشده هوا از میان پوسته‌ای نامناسب‌آب‌بندی‌شده ساختمان توصیف می‌شود، که معمولاً همراه با نشت ناخواسته هوای شرطی‌شده از داخل ساختمان به بیرون است.^[۱۰]

ساختمان‌ها ممکن است با استفاده از سامانه‌های مکانیکی، سامانه‌ها یا راهبردهای غیرفعال، یا ترکیبی از این دو تهویه شوند.^[۱۱]

شارش هوا در سامانه‌های تهویه مکانیکی

تهویه مکانیکی از پنکه‌ها برای ایجاد جریان هوا به داخل و درون ساختمان استفاده می‌کند. پیکربندی و مونتاژ کانال‌ها بر نرخ‌های شارش هوا در سراسر سامانه اثر می‌گذارد. دمپرها، شیرها، درزها و دیگر تغییرات هندسی یا مادی درون یک کانال می‌توانند به افت فشار (انرژی) جریان بینجامند.^[۲]

راهبردهای تهویه غیرفعال از ویژگی‌های ذاتی هوا، به‌ویژه شناوری گرمایی و اختلاف‌های فشار، برای تخلیه هوای مصرف‌شده از درون ساختمان بهره می‌گیرند. اثر دودکش به معنای استفاده از دودکش‌ها یا فضاهای بلند مشابه با بازشوهایی نزدیک به بالای آن‌هاست، تا هوای مصرف‌شده را به‌طور غیرفعال به بالا و بیرون از فضا بکشد، از این رو که هوا هنگام افزایش دمایش (زیرا حجم افزایش و فشار کاهش می‌یابد) بالا می‌رود. تهویه غیرفعال بادی، بر پیکربندی، جهت‌گیری و توزیع بازشوهای ساختمان تکیه دارد تا از حرکت هوای بیرونی بهره گیرد. تهویه متقاطع به بازشوهایی راهبردی‌جانمایی‌شده و هم‌راستا با الگوهای باد محلی نیاز دارد.

شارش هوا عاملی مورد توجه در طراحی برای برآورده کردن استانداردهای آسایش گرمایی ساکنان (مانند ASHRAE 55) است. نرخ‌های متغیر حرکت هوا می‌توانند به‌طور مثبت یا منفی بر ادراک افراد از گرما یا خنکی، و از این‌رو بر آسایش آن‌ها، اثر بگذارند.^[۱۲] سرعت هوا با دمای هوا، رطوبت نسبی، دمای تابشی سطوح و ساکنان اطراف، و رسانایی پوستی ساکنان درهم‌کنش دارد، که به احساس‌های گرمایی خاصی می‌انجامد.

شارش هوای کافی، به‌درستی کنترل‌شده و طراحی‌شده (تهویه) برای کیفیت کلی محیط داخلی (IEQ) و کیفیت هوای داخل (IAQ) اهمیت دارد، از این‌رو که تأمین لازم هوای تازه را فراهم می‌کند و هوای مصرف‌شده را به‌طور مؤثر تخلیه می‌کند.^[۲]

جستارهای وابسته

منابع

↑ ["How Do Air Pressure Differences Cause Winds?"](https://www.thoughtco.com/winds-and-the-pressure-gradient-force-1434440). ThoughtCo. Retrieved 2017-11-09.
1 2 3 4 ASHRAE, ed. ASHRAE Handbook of Fundamentals 2017. Atlanta, GA: American Society of Heating, Air-Conditioning and Refrigeration Engineers, 2017.
1 2 Woodford, Chris. ["Aerodynamics - Introduction to the science of air flow"](http://www.explainthatstuff.com/aerodynamics.html). Explain that Stuff. Retrieved 2017-11-09.
↑ ["Airflow Unit Conversion"](https://web.archive.org/web/20190210192418/http://www.comairrotron.com/airflow-unit-conversion). Comairrotron.com. 8 March 2012. Archived from the original (PDF) on 2019-02-10. Retrieved 2014-06-10.
↑ Bird, J. O.; Chivers, P. J. (1993). "Measurement of fluid flow". Newnes Engineering and Physical Science Pocket Book. pp. 370–381. doi:10.1016/B978-0-7506-1683-6.50052-7. ISBN 978-0-7506-1683-6.
↑ Tillman, David A.; Duong, Dao N.B.; Harding, N. Stanley (2012). "Modeling and Fuel Blending". Solid Fuel Blending. pp. 271–293. doi:10.1016/B978-0-12-380932-2.00007-6. ISBN 978-0-12-380932-2.
↑ Bird, J. O.; Chivers, P. J. (1993). "Measurement of fluid flow". Newnes Engineering and Physical Science Pocket Book. pp. 370–381. doi:10.1016/B978-0-7506-1683-6.50052-7. ISBN 978-0-7506-1683-6.
↑ ["Air volumetric and mass in pneumatic transport - PowderProcess.net"](https://powderprocess.net/Pneumatic_Transport/Air_Flowrate.html). powderprocess.net. Retrieved 2019-06-11.
↑ ["Air Flow"](http://oac.med.jhmi.edu/res_phys/Encyclopedia/AirFlow/AirFlow.HTML). oac.med.jhmi.edu. Retrieved 2017-11-09.
↑ Axley, James W. "Residential Passive Ventilation Systems: Evaluation and Design." Air Infiltration and Ventilation Center, Tech Note 54 (2001).
↑ Schiavon, Stefano (December 2014). ["Adventitious ventilation: a new definition for an old mode?"](https://doi.org/10.1111%2Fina.12155). Indoor Air. 24 (6): 557–558. بیبکد:2014InAir..24..557S. شناساگر اشیاء دیجیتال:10.1111/ina.12155. پاب‌مد 25376521.
↑ Toftum, J. (2004). ["Air movement - good or bad?"](https://doi.org/10.1111%2Fj.1600-0668.2004.00271.x). Indoor Air. 14 (s7): 40–45. بیبکد:2004InAir..14S..40T. شناساگر اشیاء دیجیتال:10.1111/j.1600-0668.2004.00271.x. پاب‌مد 15330770.

[1] ["How Do Air Pressure Differences Cause Winds?"](https://www.thoughtco.com/winds-and-the-pressure-gradient-force-1434440). ThoughtCo. Retrieved 2017-11-09.

[ashrae-2] 1 2 3 4 ASHRAE, ed. ASHRAE Handbook of Fundamentals 2017. Atlanta, GA: American Society of Heating, Air-Conditioning and Refrigeration Engineers, 2017.

[woodford-3] 1 2 Woodford, Chris. ["Aerodynamics - Introduction to the science of air flow"](http://www.explainthatstuff.com/aerodynamics.html). Explain that Stuff. Retrieved 2017-11-09.

[4] ["Airflow Unit Conversion"](https://web.archive.org/web/20190210192418/http://www.comairrotron.com/airflow-unit-conversion). Comairrotron.com. 8 March 2012. Archived from the original (PDF) on 2019-02-10. Retrieved 2014-06-10.

[5] Bird, J. O.; Chivers, P. J. (1993). "Measurement of fluid flow". Newnes Engineering and Physical Science Pocket Book. pp. 370–381. doi:10.1016/B978-0-7506-1683-6.50052-7. ISBN 978-0-7506-1683-6.

[6] Tillman, David A.; Duong, Dao N.B.; Harding, N. Stanley (2012). "Modeling and Fuel Blending". Solid Fuel Blending. pp. 271–293. doi:10.1016/B978-0-12-380932-2.00007-6. ISBN 978-0-12-380932-2.

[7] Bird, J. O.; Chivers, P. J. (1993). "Measurement of fluid flow". Newnes Engineering and Physical Science Pocket Book. pp. 370–381. doi:10.1016/B978-0-7506-1683-6.50052-7. ISBN 978-0-7506-1683-6.

[8] ["Air volumetric and mass in pneumatic transport - PowderProcess.net"](https://powderprocess.net/Pneumatic_Transport/Air_Flowrate.html). powderprocess.net. Retrieved 2019-06-11.

[9] ["Air Flow"](http://oac.med.jhmi.edu/res_phys/Encyclopedia/AirFlow/AirFlow.HTML). oac.med.jhmi.edu. Retrieved 2017-11-09.

[10] Axley, James W. "Residential Passive Ventilation Systems: Evaluation and Design." Air Infiltration and Ventilation Center, Tech Note 54 (2001).

[11] Schiavon, Stefano (December 2014). ["Adventitious ventilation: a new definition for an old mode?"](https://doi.org/10.1111%2Fina.12155). Indoor Air. 24 (6): 557–558. بیبکد:2014InAir..24..557S. شناساگر اشیاء دیجیتال:10.1111/ina.12155. پاب‌مد 25376521.

[12] Toftum, J. (2004). ["Air movement - good or bad?"](https://doi.org/10.1111%2Fj.1600-0668.2004.00271.x). Indoor Air. 14 (s7): 40–45. بیبکد:2004InAir..14S..40T. شناساگر اشیاء دیجیتال:10.1111/j.1600-0668.2004.00271.x. پاب‌مد 15330770.

[۱]

[۲]

[۳]

[۴]

[۵]

[۶]

[۷]

[۸]

[۹]

[۱۰]

[۱۱]

[۱۲]