Flujo de aire

El flujo de aire, o corriente de aire , es el movimiento del aire. El aire se comporta de manera fluida , lo que significa que las partículas fluyen naturalmente desde áreas de mayor presión hacia aquellas donde la presión es menor. La presión atmosférica del aire está directamente relacionada con la altitud , la temperatura y la composición. ^[1]

En ingeniería , el caudal de aire es una medida de la cantidad de aire por unidad de tiempo que fluye a través de un dispositivo en particular. Puede describirse como un caudal volumétrico (volumen de aire por unidad de tiempo) o un caudal másico (masa de aire por unidad de tiempo). Lo que relaciona ambas formas de descripción es la densidad del aire, que es una función de la presión y la temperatura a través de la ley de los gases ideales. El flujo de aire puede inducirse a través de medios mecánicos (como el funcionamiento de un ventilador eléctrico o manual) o puede tener lugar de forma pasiva, en función de los diferenciales de presión presentes en el entorno.

Como cualquier fluido, el aire puede exhibir patrones de flujo tanto laminares como turbulentos . El flujo laminar ocurre cuando el aire puede fluir suavemente y exhibe un perfil de velocidad parabólico ; el flujo turbulento ocurre cuando hay una irregularidad (como una interrupción en la superficie a través de la cual fluye el fluido), que altera la dirección del movimiento. El flujo turbulento exhibe un perfil de velocidad plano. ^[2] Los perfiles de velocidad del movimiento de fluidos describen la distribución espacial de los vectores de velocidad instantánea a través de una sección transversal dada. El tamaño y la forma de la configuración geométrica por la que viaja el fluido, las propiedades del fluido (como la viscosidad), las interrupciones físicas del flujo y los componentes de ingeniería (por ejemplo, bombas) que agregan energía al flujo son factores que determinan cómo se ve el perfil de velocidad. Generalmente, en flujos encapsulados, los vectores de velocidad instantánea son de mayor magnitud en el medio del perfil debido al efecto de la fricción del material de las paredes de la tubería, el conducto o el canal en las capas cercanas de fluido. En los flujos atmosféricos troposféricos, la velocidad aumenta con la elevación desde el nivel del suelo debido a la fricción de obstrucciones como árboles y colinas que ralentizan el flujo de aire cerca de la superficie. El nivel de fricción se cuantifica mediante un parámetro llamado "longitud de rugosidad". Las líneas de corriente conectan velocidades y son tangenciales a la dirección instantánea de múltiples vectores de velocidad. Pueden ser curvas y no siempre siguen la forma del recipiente. Además, solo existen en flujos constantes, es decir, flujos cuyos vectores de velocidad no cambian con el tiempo. En un flujo laminar, todas las partículas del fluido viajan en líneas paralelas, lo que da lugar a líneas de corriente paralelas. En un flujo turbulento, las partículas viajan en direcciones aleatorias y caóticas, lo que da lugar a líneas de corriente curvas, en espiral y, a menudo, entrecruzadas.

El número de Reynolds , una relación que indica la relación entre las fuerzas viscosas e inerciales en un fluido, se puede utilizar para predecir la transición del flujo laminar al turbulento. Los flujos laminares se producen en números de Reynolds bajos donde dominan las fuerzas viscosas, y los flujos turbulentos se producen en números de Reynolds altos donde dominan las fuerzas inerciales. El rango del número de Reynolds que define cada tipo de flujo depende de si el aire se mueve a través de una tubería, un conducto ancho, un canal abierto o alrededor de perfiles aerodinámicos. El número de Reynolds también puede caracterizar un objeto (por ejemplo, una partícula bajo el efecto de la sedimentación gravitacional) que se mueve a través de un fluido. Este número y los conceptos relacionados se pueden aplicar al estudio del flujo en sistemas de todas las escalas. El flujo de transición es una mezcla de turbulencia en el centro del perfil de velocidad y flujo laminar cerca de los bordes. Cada uno de estos tres flujos tiene mecanismos distintos de pérdidas de energía por fricción que dan lugar a un comportamiento diferente. Como resultado, se utilizan diferentes ecuaciones para predecir y cuantificar el comportamiento de cada tipo de flujo.

La velocidad a la que fluye un fluido al pasar por un objeto varía con la distancia a la superficie del objeto. La región que rodea un objeto donde la velocidad del aire se acerca a cero se conoce como capa límite . ^[3] Es aquí donde la fricción de la superficie afecta más al flujo; las irregularidades en las superficies pueden afectar el espesor de la capa límite y, por lo tanto, actuar para interrumpir el flujo. ^[2]

Las unidades típicas para expresar el flujo de aire son: ^[4]

• m3 /min ( ^metros cúbicos por minuto )
• m ³ /h ( metros cúbicos por hora )
• ft ³ /h ( pies cúbicos por hora)
• ft3 /min ( ^pies cúbicos por minuto, también conocidos como CFM)
• l/s ( litros por segundo )

• kg/s ( kilogramos por segundo )

El flujo de aire también se puede describir en términos de cambios de aire por hora (ACH), lo que indica la renovación total del volumen de aire que llena el espacio en cuestión. Esta unidad se utiliza con frecuencia en el campo de la ciencia de la construcción, y los valores de ACH más altos corresponden a envolventes con más fugas, lo que es típico de los edificios más antiguos que no están sellados herméticamente.

El instrumento que mide el flujo de aire se llama caudalímetro . Los anemómetros también se utilizan para medir la velocidad del viento y el flujo de aire en interiores.

Hay una variedad de tipos, incluidos los anemómetros de sonda recta, diseñados para medir la velocidad del aire, la presión diferencial, la temperatura y la humedad; los anemómetros de paletas giratorias , utilizados para medir la velocidad del aire y el flujo volumétrico; y los anemómetros de esfera caliente.

Los anemómetros pueden utilizar ultrasonidos o un cable resistivo para medir la transferencia de energía entre el dispositivo de medición y las partículas que pasan por él. Un anemómetro de hilo caliente, por ejemplo, registra las disminuciones de la temperatura del hilo, que se pueden traducir en velocidad del flujo de aire analizando la tasa de cambio. El enfriamiento convectivo es una función de la tasa del flujo de aire, y la resistencia eléctrica de la mayoría de los metales depende de la temperatura del metal, que se ve afectada por el enfriamiento convectivo. ^[5] Los ingenieros han aprovechado estos fenómenos físicos en el diseño y uso de anemómetros de hilo caliente. Algunas herramientas son capaces de calcular el flujo de aire, la temperatura del bulbo húmedo, el punto de rocío y la turbulencia.

El flujo de aire se puede simular mediante modelos de dinámica de fluidos computacional (CFD) u observar experimentalmente a través del funcionamiento de un túnel de viento . Esto se puede utilizar para predecir patrones de flujo de aire alrededor de automóviles, aeronaves y embarcaciones marinas, así como la penetración de aire en la envoltura de un edificio. Debido a que los modelos CFD "también rastrean el flujo de sólidos a través de un sistema", ^[6] se pueden utilizar para el análisis de concentraciones de contaminación en ambientes interiores y exteriores. La materia particulada generada en interiores generalmente proviene de cocinar con aceite y actividades de combustión como quemar velas o leña. En entornos exteriores, la materia particulada proviene de fuentes directas como las emisiones del tubo de escape de los vehículos con motor de combustión interna (ICEV) por la quema de combustible (productos derivados del petróleo), el viento y el suelo, e indirectamente de la oxidación atmosférica de compuestos orgánicos volátiles (VOC), dióxido de azufre (SO2) y emisiones de óxido de nitrógeno (NOx).

Un tipo de equipo que regula el flujo de aire en los conductos se llama compuerta . La compuerta se puede utilizar para aumentar, disminuir o detener por completo el flujo de aire. Un dispositivo más complejo que no solo puede regular el flujo de aire sino que también tiene la capacidad de generar y acondicionar el flujo de aire es un manejador de aire . Los ventiladores también generan flujos al "producir flujos de aire con alto volumen y baja presión (aunque más alta que la presión ambiental)". Este diferencial de presión inducido por el ventilador es lo que hace que el aire fluya. La dirección del flujo de aire está determinada por la dirección del gradiente de presión. El aumento de la presión total o estática, y por lo tanto, por extensión, la tasa de flujo de aire, está determinada principalmente por la velocidad del ventilador medida en revoluciones por minuto (RPM). ^[7] En el control de los sistemas HVAC para modular la tasa de flujo de aire, normalmente se cambia la velocidad del ventilador, que a menudo viene en configuraciones de 3 categorías, como baja, media y alta.

La medición del flujo de aire es necesaria en muchas aplicaciones, como la ventilación (para determinar cuánto aire se está reemplazando), el transporte neumático (para controlar la velocidad del aire y la fase de transporte) ^[8] y los motores (para controlar la relación aire-combustible ).

La aerodinámica es la rama de la dinámica de fluidos (física) que se ocupa específicamente de la medición, simulación y control del flujo de aire. ^[3] La gestión del flujo de aire es motivo de preocupación para muchos campos, entre ellos la meteorología , la aeronáutica , la medicina, ^[9] la ingeniería mecánica , la ingeniería civil , la ingeniería medioambiental y la ciencia de la construcción .

En la ciencia de la construcción, el flujo de aire a menudo se aborda en términos de su deseabilidad, por ejemplo, al contrastar la ventilación y la infiltración . La ventilación se define como el flujo deseado de aire fresco de suministro exterior a otro espacio, generalmente interior, junto con la expulsión simultánea del aire de escape del interior al exterior. Esto se puede lograr a través de medios mecánicos (es decir, el uso de una rejilla o compuerta para la entrada de aire y un ventilador para inducir el flujo a través de los conductos) o mediante estrategias pasivas (también conocidas como ventilación natural ). Si bien la ventilación natural tiene beneficios económicos sobre la ventilación mecánica porque generalmente requiere un consumo de energía operativa mucho menor, solo se puede utilizar durante ciertos momentos del día y bajo ciertas condiciones exteriores. Si hay una gran diferencia de temperatura entre el aire exterior y el aire acondicionado interior, el uso de ventilación natural puede causar cargas de calefacción o refrigeración no intencionales en un espacio y aumentar el consumo de energía de HVAC para mantener temperaturas confortables dentro de los rangos determinados por las temperaturas de ajuste de calefacción y refrigeración. La ventilación natural también tiene el defecto de que su viabilidad depende de las condiciones exteriores; Si el aire exterior está significativamente contaminado con concentraciones de ozono a nivel del suelo provenientes de emisiones relacionadas con el transporte o partículas de incendios forestales, por ejemplo, los ocupantes de edificios residenciales y comerciales pueden tener que mantener las puertas y ventanas cerradas para preservar la calidad ambiental interior (IEQ). Por el contrario, la infiltración de aire se caracteriza por la entrada incontrolada de aire a través de una envoltura de edificio inadecuadamente sellada, generalmente acompañada de una fuga involuntaria de aire acondicionado desde el interior de un edificio hacia el exterior. ^[10]

Los edificios pueden ventilarse mediante sistemas mecánicos, sistemas o estrategias pasivas, o una combinación de ambos. ^[11]

La ventilación mecánica utiliza ventiladores para inducir el flujo de aire hacia el interior y a través de un edificio. La configuración y el montaje de los conductos afectan el caudal de aire a través del sistema. Los reguladores, las válvulas, las juntas y otros cambios geométricos o materiales dentro de un conducto pueden provocar pérdidas de presión (energía) de flujo. ^[2]

Las estrategias de ventilación pasiva aprovechan las características inherentes del aire, en particular la flotabilidad térmica y los diferenciales de presión, para evacuar el aire de escape del interior de un edificio. El efecto chimenea equivale al uso de chimeneas o espacios altos similares con aberturas cerca de la parte superior para extraer pasivamente el aire de escape hacia arriba y hacia afuera del espacio, gracias al hecho de que el aire se elevará cuando su temperatura aumente (a medida que el volumen aumente y la presión disminuya). La ventilación pasiva impulsada por el viento se basa en la configuración, la orientación y la distribución de las aberturas del edificio para aprovechar el movimiento del aire exterior. La ventilación cruzada requiere aberturas ubicadas estratégicamente alineadas con los patrones de viento locales.

El flujo de aire es un factor de preocupación al diseñar para cumplir con los estándares de confort térmico de los ocupantes (como ASHRAE 55 ). Las diferentes tasas de movimiento del aire pueden afectar positiva o negativamente la percepción de calor o frío de las personas y, por lo tanto, su comodidad. ^[12] La velocidad del aire interactúa con la temperatura del aire, la humedad relativa, la temperatura radiante de las superficies circundantes y los ocupantes, y la conductividad de la piel de los ocupantes, lo que da como resultado sensaciones térmicas particulares.

Un flujo de aire (ventilación) suficiente, adecuadamente controlado y diseñado es importante para la calidad ambiental interior (IEQ) y la calidad del aire interior (IAQ) en general, ya que proporciona el suministro necesario de aire fresco y evacua eficazmente el aire de escape. ^[2]

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• Dinámica de fluidos computacional
• Ventilación (arquitectura)
• Ventilación natural
• Infiltración (HVAC)
• Velocimetría de seguimiento de partículas
• Flujo laminar
• Flujo turbulento
• Viento