Dòng không khí

Airflow (dòng không khí), hoặc air flow, là sự chuyển động của không khí. Không khí có hành vi như một chất lưu (fluid), nghĩa là các hạt tự nhiên di chuyển từ vùng có áp suất cao đến vùng có áp suất thấp hơn. Áp suất không khí khí quyển có liên quan trực tiếp đến độ cao, nhiệt độ và thành phần.

Trong kỹ thuật, airflow là phép đo lượng không khí trên một đơn vị thời gian chảy qua một thiết bị cụ thể. Nó có thể được mô tả dưới dạng lưu lượng thể tích (thể tích không khí trên một đơn vị thời gian) hoặc lưu lượng khối lượng (khối lượng không khí trên một đơn vị thời gian). Yếu tố liên hệ giữa hai cách mô tả này là mật độ không khí, vốn phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ theo định luật khí lý tưởng. Dòng không khí có thể được tạo ra bằng cơ học (ví dụ như vận hành quạt điện hoặc quạt tay) hoặc diễn ra thụ động do chênh lệch áp suất trong môi trường.

Các loại dòng không khí 
Giống như mọi chất lưu, không khí có thể biểu hiện dạng dòng tầng (laminar) và rối (turbulent). Dòng chảy tầng xảy ra khi không khí chuyển động trơn tru và có phân bố vận tốc dạng parabol; dòng chảy rối xảy ra khi có sự không đều (như gián đoạn trên bề mặt mà chất lưu đi qua), làm thay đổi hướng chuyển động. Dòng chảy rối có phân bố vận tốc tương đối phẳng.

Phân bố vận tốc mô tả sự phân bố không gian của các vectơ vận tốc tức thời trên một mặt cắt nhất định. Kích thước và hình dạng hình học của môi trường mà chất lưu đi qua, tính chất chất lưu (như độ nhớt), các gián đoạn vật lý và các thành phần kỹ thuật (ví dụ bơm) cung cấp năng lượng cho dòng chảy đều ảnh hưởng đến dạng phân bố vận tốc. Nói chung, trong các dòng chảy kín, vận tốc ở trung tâm thường lớn hơn do ma sát từ thành ống, ống dẫn hoặc kênh làm giảm vận tốc của các lớp gần thành. Trong khí quyển tầng đối lưu, vận tốc tăng theo độ cao do ma sát từ các vật cản như cây cối và đồi núi làm chậm dòng không khí gần mặt đất. Mức độ ma sát được đặc trưng bởi một tham số gọi là "độ nhám khí động".

Các đường dòng (streamline) nối các vận tốc và tiếp tuyến với hướng tức thời của các vectơ vận tốc. Chúng có thể cong và không nhất thiết trùng với hình dạng vật chứa. Ngoài ra, chúng chỉ tồn tại trong dòng chảy ổn định, tức là dòng chảy mà các vectơ vận tốc không thay đổi theo thời gian. Trong dòng chảy tầng, các hạt chuyển động song song tạo nên các đường dòng song song. Trong dòng chảy rối, các hạt chuyển động hỗn loạn, tạo nên các đường dòng cong, xoắn và thường cắt nhau.

Số Reynolds là tỷ số thể hiện mối quan hệ giữa lực nhớt và quán tính trong chất lưu, có thể dùng để dự đoán sự chuyển đổi từ dòng chảy tầng sang dòng chảy rối. Dòng chảy tầng xảy ra ở số Reynolds thấp (lực nhớt chiếm ưu thế), trong khi dòng chảy rối xảy ra ở số Reynolds cao (lực quán tính chiếm ưu thế). Giá trị ranh giới phụ thuộc vào môi trường dòng chảy (ống, kênh, dòng mở hoặc quanh cánh khí động). Số Reynolds cũng có thể dùng để mô tả chuyển động của vật thể trong chất lưu.

Dòng chảy chuyển tiếp là sự kết hợp giữa rối ở trung tâm và tầng ở gần biên. Mỗi loại dòng có cơ chế tổn thất năng lượng do ma sát khác nhau, do đó cần các phương trình khác nhau để mô tả.

Vận tốc của dòng chảy quanh một vật thay đổi theo khoảng cách từ bề mặt vật. Vùng gần bề mặt mà vận tốc gần như bằng 0 được gọi là lớp biên. Đây là nơi ma sát bề mặt ảnh hưởng mạnh nhất; các bất thường bề mặt có thể làm thay đổi độ dày lớp biên và gây nhiễu dòng chảy.

Đơn vị 
Các đơn vị thường dùng để biểu diễn lưu lượng không khí gồm:

Theo thể tích 
 m3/min (mét khối trên phút)
 m3/h (mét khối trên giờ)
 ft3/h (foot khối trên giờ)
 ft3/min (CFM)
 l/s (lít trên giây)

Theo khối lượng 
 kg/s (kilogram trên giây)

Airflow cũng có thể được mô tả bằng số lần thay đổi không khí mỗi giờ (ACH), biểu thị số lần thay toàn bộ thể tích không khí trong một không gian mỗi giờ.

Đo lường
Thiết bị dùng để đo lưu lượng không khí được gọi là airflow meter. Anemometer (thiết bị đo gió) cũng được sử dụng để đo tốc độ gió và dòng không khí trong nhà.

Có nhiều loại thiết bị khác nhau, bao gồm: anemometer dạng đầu dò thẳng (straight probe), được thiết kế để đo vận tốc không khí, chênh lệch áp suất, nhiệt độ và độ ẩm; anemometer cánh quay (rotating vane anemometer), dùng để đo vận tốc không khí và lưu lượng thể tích; và anemometer cầu nóng (hot-sphere).

Anemometer có thể sử dụng siêu âm hoặc dây điện trở để đo sự truyền năng lượng giữa thiết bị đo và các hạt không khí đi qua. Ví dụ, anemometer dây nóng (hot-wire) ghi nhận sự giảm nhiệt độ của dây, từ đó có thể suy ra vận tốc dòng không khí bằng cách phân tích tốc độ thay đổi nhiệt độ. Làm mát đối lưu phụ thuộc vào lưu lượng không khí, và điện trở của hầu hết kim loại phụ thuộc vào nhiệt độ của chúng, vốn bị ảnh hưởng bởi quá trình làm mát đối lưu. Các kỹ sư đã khai thác những hiện tượng vật lý này để thiết kế và sử dụng anemometer dây nóng. Một số thiết bị còn có khả năng tính toán lưu lượng không khí, nhiệt độ bầu ướt, điểm sương và mức độ nhiễu loạn.

Mô phỏng 
Dòng không khí có thể được mô phỏng bằng động lực học chất lưu tính toán (CFD) hoặc được quan sát thực nghiệm thông qua vận hành hầm gió. Điều này có thể được sử dụng để dự đoán các dạng dòng khí xung quanh ô tô, máy bay và tàu thuyền, cũng như sự xâm nhập của không khí qua lớp vỏ công trình. Do các mô hình CFD "cũng theo dõi dòng chuyển động của các hạt rắn trong hệ thống", chúng có thể được sử dụng để phân tích nồng độ ô nhiễm trong môi trường trong nhà và ngoài trời. Vật chất dạng hạt sinh ra trong nhà thường đến từ việc nấu ăn bằng dầu và các hoạt động đốt cháy như đốt nến hoặc củi. Trong môi trường ngoài trời, vật chất dạng hạt đến từ các nguồn trực tiếp như khí thải từ ống xả của phương tiện sử dụng động cơ đốt trong (ICEVs), gió cuốn bụi đất, và gián tiếp từ quá trình oxy hóa trong khí quyển của hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), lưu huỳnh điôxít (SO2) và ôxít nitơ (NOx).

Điều khiển 
Một loại thiết bị dùng để điều chỉnh dòng không khí trong ống dẫn được gọi là damper. Damper có thể được sử dụng để tăng, giảm hoặc chặn hoàn toàn dòng không khí. Một thiết bị phức tạp hơn, không chỉ điều chỉnh mà còn có khả năng tạo và xử lý dòng không khí, là air handler. Quạt cũng tạo ra dòng khí bằng cách "tạo ra dòng không khí có lưu lượng lớn và áp suất thấp (mặc dù cao hơn áp suất môi trường xung quanh)". Chính chênh lệch áp suất do quạt tạo ra là nguyên nhân làm không khí chuyển động. Hướng dòng không khí được xác định bởi hướng của gradient áp suất. Sự gia tăng áp suất tổng hoặc áp suất tĩnh, và do đó là lưu lượng không khí, chủ yếu phụ thuộc vào tốc độ quay của quạt (RPM). Trong việc điều khiển hệ thống HVAC để điều chỉnh lưu lượng không khí, người ta thường thay đổi tốc độ quạt, thường có các mức như thấp, trung bình và cao.

Ứng dụng 
Việc đo lưu lượng không khí là cần thiết trong nhiều ứng dụng như thông gió (để xác định lượng không khí được thay thế), vận chuyển khí nén (để kiểm soát vận tốc không khí và trạng thái vận chuyển) và động cơ (để kiểm soát tỷ lệ không khí–nhiên liệu).

Khí động học là một nhánh của động lực học chất lưu chuyên nghiên cứu việc đo lường, mô phỏng và điều khiển dòng không khí. Việc quản lý airflow có vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như khí tượng học, hàng không, y học, kỹ thuật cơ khí, kỹ thuật xây dựng, kỹ thuật môi trường và khoa học công trình.

Dòng không khí trong công trình 
Trong khoa học công trình, airflow thường được xem xét dưới góc độ mức độ mong muốn của nó, ví dụ khi so sánh giữa thông gió và xâm nhập không khí. Thông gió được định nghĩa là dòng không khí tươi từ bên ngoài được cấp vào một không gian khác, thường là không gian trong nhà, đồng thời với việc thải không khí ô nhiễm từ trong nhà ra ngoài. Điều này có thể đạt được bằng phương pháp cơ học (tức là sử dụng cửa gió hoặc damper để lấy gió và quạt để tạo dòng khí qua hệ thống ống dẫn) hoặc bằng các chiến lược thụ động (còn gọi là thông gió tự nhiên). 

Mặc dù thông gió tự nhiên có lợi thế về kinh tế so với thông gió cơ học do thường tiêu tốn ít năng lượng vận hành hơn, nhưng nó chỉ có thể sử dụng vào những thời điểm nhất định trong ngày và trong các điều kiện môi trường ngoài trời phù hợp. Nếu có sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa không khí ngoài trời và không khí trong nhà đã được điều hòa, việc sử dụng thông gió tự nhiên có thể gây ra tải nhiệt không mong muốn (tăng hoặc giảm nhiệt), từ đó làm tăng mức tiêu thụ năng lượng của hệ thống HVAC để duy trì nhiệt độ trong khoảng cài đặt. 

Ngoài ra, thông gió tự nhiên còn có hạn chế là phụ thuộc vào điều kiện môi trường bên ngoài; nếu không khí ngoài trời bị ô nhiễm nặng, ví dụ do ozone tầng thấp từ khí thải giao thông hoặc bụi mịn từ cháy rừng, thì người sử dụng công trình có thể buộc phải đóng cửa để đảm bảo chất lượng môi trường trong nhà (IEQ). Ngược lại, xâm nhập không khí được đặc trưng là dòng không khí đi vào không kiểm soát qua lớp vỏ công trình không kín, thường đi kèm với sự rò rỉ không mong muốn của không khí đã được điều hòa từ bên trong ra ngoài.

Các công trình có thể được thông gió bằng hệ thống cơ học, hệ thống thụ động, hoặc kết hợp cả hai.

Dòng không khí trong hệ thống thông gió cơ học (HVAC) 
Thông gió cơ học sử dụng quạt để tạo dòng không khí đi vào và lưu thông trong công trình. Cấu hình và cách lắp đặt hệ thống ống dẫn ảnh hưởng đến lưu lượng không khí trong hệ thống. Các damper, van, mối nối và các thay đổi về hình học hoặc vật liệu trong ống dẫn có thể gây tổn thất áp suất (năng lượng) của dòng khí.

Các chiến lược thụ động để tối đa hóa airflow 
Các chiến lược thông gió thụ động tận dụng các đặc tính tự nhiên của không khí, đặc biệt là lực nổi nhiệt và chênh lệch áp suất, để đưa không khí thải ra khỏi công trình. Stack effect (hiệu ứng ống khói) tương đương với việc sử dụng ống khói hoặc không gian cao có các lỗ mở phía trên để hút không khí nóng lên và thoát ra ngoài, do không khí nóng có xu hướng bay lên (thể tích tăng và áp suất giảm). Thông gió thụ động do gió phụ thuộc vào cấu hình, hướng và vị trí các lỗ mở của công trình để tận dụng chuyển động của không khí bên ngoài. Thông gió chéo yêu cầu bố trí các cửa mở phù hợp với hướng gió địa phương.

Mối quan hệ giữa chuyển động không khí, комфорт nhiệt và chất lượng môi trường trong nhà (IEQ) 
Airflow là yếu tố quan trọng khi thiết kế nhằm đáp ứng tiêu chuẩn комфорт nhiệt của người sử dụng (như ASHRAE 55). Tốc độ chuyển động của không khí khác nhau có thể ảnh hưởng tích cực hoặc tiêu cực đến cảm nhận nóng/lạnh của con người, từ đó ảnh hưởng đến sự thoải mái. Vận tốc không khí tương tác với nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, nhiệt độ bức xạ của các bề mặt xung quanh và cơ thể người, cũng như độ dẫn nhiệt của da, từ đó tạo ra các cảm giác nhiệt khác nhau.

Một hệ thống airflow (thông gió) được thiết kế và kiểm soát đúng cách là rất quan trọng đối với chất lượng môi trường trong nhà (IEQ) và chất lượng không khí trong nhà (IAQ), vì nó đảm bảo cung cấp đủ không khí tươi và loại bỏ hiệu quả không khí thải.

Xem thêm

Dòng không khí
Air flow meter
Air handling unit
Anemometer
Khí quyển Trái Đất
Động lực học chất lưu tính toán
Damper (flow)
Động lực học chất lưu
Infiltration (HVAC)
Dòng chảy tầng
Thông gió tự nhiên
Particle tracking velocimetry
Lực gradient áp suất
Gió biển
Dòng chảy rối
Thông gió (kiến trúc)
Lưu lượng thể tích
Gió

References

Sưởi ấm, thông gió và điều hòa không khí
Kỹ thuật cơ khí