気流

気流、または空気の流れとは、空気の動きのことです。空気は流体のように振る舞い、粒子は自然に高圧の領域から低圧の領域へと流れます。大気圧は高度、温度、組成に直接関係しています。 ^{[ 1 ]}

工学において、気流とは、特定の装置を単位時間あたりに通過する空気の量を測定したものです。これは、体積流量（単位時間あたりの空気の体積）または質量流量（単位時間あたりの空気の質量）として表すことができます。これらの両方の表現形式を結びつけるのは空気密度であり、これは理想気体の法則によって圧力と温度の関数として表されます。空気の流れは、機械的な手段（電動ファンや手動ファンの操作など）によって誘発される場合もあれば、周囲の圧力差に応じて受動的に発生する場合もあります。

あらゆる流体と同様に、空気も層流と乱流の両方の流れパターンを示すことがあります。層流は空気がスムーズに流れるときに発生し、放物線状の速度プロファイルを示します。乱流は、流体が流れる表面の乱れなどの不規則性があり、移動の方向が変わるときに発生します。乱流は平坦な速度プロファイルを示します。^{[ 2 ]}流体移動の速度プロファイルは、特定の断面における瞬間速度ベクトルの空間分布を表します。流体が通過する幾何学的構成のサイズと形状、流体の特性（粘度など）、流れに対する物理的な乱れ、流れにエネルギーを加えるエンジニアリングコンポーネント（ポンプなど）は、速度プロファイルがどのように見えるかを決定する要因です。一般的に、密閉された流れでは、パイプ、ダクト、またはチャネルの壁の材料による摩擦が近くの流体層に及ぼす影響により、プロファイルの中央で瞬間速度ベクトルの大きさが大きくなります。対流圏の大気流では、樹木や丘などの障害物による摩擦によって地表付近の気流が減速するため、高度が上がるにつれて速度が増加します。摩擦のレベルは、「粗度長」と呼ばれるパラメータによって定量化されます。流線は速度を結び、複数の速度ベクトルの瞬間的な方向に接線方向になります。流線は湾曲することがあり、必ずしも容器の形状に沿うとは限りません。さらに、流線は定常流、つまり速度ベクトルが時間とともに変化しない流れにのみ存在します。層流では、流体のすべての粒子が平行線に沿って移動するため、平行な流線が生じます。乱流では、粒子がランダムかつ混沌とした方向に移動するため、湾曲した、らせん状の、そしてしばしば交差する流線が生じます。

レイノルズ数は、流体中の粘性力と慣性力の関係を示す比率であり、層流から乱流への遷移を予測するために使用できます。層流は、粘性力が支配的な低レイノルズ数で発生し、乱流は、慣性力が支配的な高レイノルズ数で発生します。各タイプの流れを定義するレイノルズ数の範囲は、空気がパイプ、広いダクト、開水路、または翼型の周りを移動しているかどうかによって異なります。レイノルズ数は、流体中を移動する物体（たとえば、重力沈降の影響を受けている粒子）を特徴付けることもできます。この数と関連する概念は、あらゆるスケールのシステムの流れの研究に適用できます。遷移流は、速度プロファイルの中心での乱流と端付近での層流の混合です。これら 3 つの流れはそれぞれ、摩擦エネルギー損失の異なるメカニズムを持ち、異なる挙動を引き起こします。その結果、それぞれの流れの種類ごとの挙動を予測・定量化するために、異なる方程式が用いられる。

流体が物体を通過する速度は、物体の表面からの距離によって変化します。物体の周囲で空気速度がゼロに近づく領域は境界層として知られています。^{[ 3 ]}ここで表面摩擦が流れに最も影響を与えます。表面の不規則性は境界層の厚さに影響を与え、したがって流れを乱す可能性があります。^{[ 2 ]}

空気の流れを表す典型的な単位は次のとおりです。^{[ 4 ]}

空気の流れを測定する機器は、エアフローメーターと呼ばれます。風速や室内の空気の流れを測定するには、風速計も使用されます。

There are a variety of types, including straight probe anemometers, designed to measure air velocity, differential pressure, temperature, and humidity; rotating vane anemometers, used for measuring air velocity and volumetric flow; and hot-sphere anemometers.

Anemometers may use ultrasound or resistive wire to measure the energy transfer between the measurement device and the passing particles. A hot-wire anemometer, for example, registers decreases in wire temperature, which can be translated into airflow velocity by analyzing the rate of change. Convective cooling is a function of airflow rate, and the electrical resistance of most metals is dependent upon the temperature of the metal, which is affected by the convective cooling.^[5] Engineers have taken advantage of these physical phenomena in the design and use of hot-wire anemometers. Some tools are capable of calculating air flow, wet bulb temperature, dew point, and turbulence.

Air flow can be simulated using computational fluid dynamics (CFD) modeling, or observed experimentally through the operation of a wind tunnel. This may be used to predict airflow patterns around automobiles, aircraft, and marine craft, as well as air penetration of a building envelope. Because CFD models "also track the flow of solids through a system,"^[6] they can be used for analysis of pollution concentrations in indoor and outdoor environments. Particulate matter generated indoors generally comes from cooking with oil and combustion activities such as burning candles or firewood. In outdoor environments, particulate matter comes from direct sources such as internal combustion engine vehicles’ (ICEVs) tailpipe emissions from burning fuel (petroleum products), windblow and soil, and indirectly from atmospheric oxidation of volatile organic compounds (VOCs), sulfur dioxide (SO2), and nitrogen oxide (NOx) emissions.

ダクト内の気流を調整する機器の一種にダンパーがあります。ダンパーを使用すると、空気の流れを増減したり、完全に停止したりできます。気流を調整するだけでなく、気流を生成および調整する機能も備えたより複雑な装置がエアハンドラーです。ファンも「大流量で低圧（ただし周囲圧力よりは高い）の気流を生成する」ことで気流を生成します。ファンによって誘発されるこの圧力差が空気の流れを引き起こします。気流の方向は圧力勾配の方向によって決まります。全圧または静圧の上昇、したがって拡張して気流速度は、主に毎分回転数（RPM）で測定されるファン速度によって決まります。^{[ 7 ]} HVAC システムの制御で気流速度を調整する場合、通常はファン速度を変更します。ファン速度は、低、中、高などの 3 つのカテゴリ設定になっていることがよくあります。

空気流量の測定は、換気（どれだけの空気が入れ替わっているかを判断するため）、空気輸送（空気の速度と輸送の位相を制御するため）^{[ 8 ]}、エンジン（空気燃料比を制御するため）など、多くの用途で必要である。

空気力学は、流体力学（物理学）の一分野で、特に気流の測定、シミュレーション、制御に関係しています。^{[ 3 ]}気流の管理は、気象学、航空学、医学、^{[ 9 ]}機械工学、土木工学、環境工学、建築科学など、多くの分野に関係しています。

建築科学では、空気の流れは、例えば換気と浸入の対比のように、その望ましさの観点から扱われることが多い。換気は、新鮮な外気を別の空間（通常は屋内）に望ましい流れとして定義され、同時に屋内から屋外へ排気を排出する。これは、機械的な手段（つまり、空気の取り込みにルーバーやダンパーを使用し、ダクトワークを通して流れを誘発するためにファンを使用する）または受動的な戦略（自然換気とも呼ばれる）によって実現できる。自然換気は、通常、運転時のエネルギー消費量がはるかに少ないため、機械換気よりも経済的に有利だが、特定の時間帯と特定の屋外条件下でのみ利用できる。屋外の空気と屋内の空調された空気との間に大きな温度差がある場合、自然換気を使用すると、空間に意図しない暖房または冷房負荷が発生し、暖房および冷房の設定温度によって決定される範囲内で快適な温度を維持するために HVAC エネルギー消費が増加する可能性がある。自然換気には、その実現可能性が屋外条件に依存するという欠点もある。例えば、輸送関連の排出物による地上オゾン濃度や山火事による粒子状物質で屋外の空気が著しく汚染されている場合、住宅や商業ビルの居住者は、室内環境品質（IEQ）を維持するためにドアや窓を閉めておく必要があるかもしれません。対照的に、空気の侵入は、適切に密閉されていない建物の外皮を通して制御されていない空気が流入することとして特徴付けられ、通常は建物の内部から外部への空調された空気の意図しない漏洩を伴います。^{[ 10 ]}

建物の換気には、機械システム、パッシブシステムまたは戦略、あるいはその両方の組み合わせが用いられる場合がある。^{[ 11 ]}