摘要

為了研究氣象條件對汽車動態(tài)氣動特性的影響規(guī)律，分析了中汽中心鹽城汽車試驗(yàn)場2018-2019年的氣象數(shù)據(jù)。利用該試驗(yàn)場氣象站采集的氣象數(shù)據(jù)，經(jīng)過從環(huán)境溫度、風(fēng)速、風(fēng)向和降雨量( 個方面的宏觀氣象規(guī)律分析得出：春季氣溫波動較大，夏季氣溫波動較小，秋季氣溫變化具有一定隨機(jī)性，冬季最低平均氣溫在0℃左右；夜間風(fēng)速普遍低于日間風(fēng)速，但日間風(fēng)速和夜間風(fēng)速具有很強(qiáng)的相關(guān)性；鹽城試驗(yàn)場冬季北風(fēng)較多，夏季偏南風(fēng)較多；秋冬兩季降雨較少，春夏兩季降雨較多。通過對影響整車道路試驗(yàn)的氣象條件進(jìn)行歸納分析，為后續(xù)汽車動態(tài)氣動特性研究提供了氣象理論基礎(chǔ)。
燃料電池汽車的動力源為質(zhì)子交換膜燃料電池，借助于氫氧燃料化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生驅(qū)動汽車運(yùn)行的電力，由于氫氧燃料電池反應(yīng)只產(chǎn)生水，對環(huán)境接近零污染且噪聲小，是新一代清潔能源汽車，已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)重要的發(fā)展方向。

1 數(shù)據(jù)介紹

鹽城試驗(yàn)場氣象站氣象數(shù)據(jù)采集位置，如圖1中星號標(biāo)記位置所示。該位置處于T4直線制動路與T5動態(tài)廣場之間。氣象數(shù)據(jù)采集時間間隔為5min。風(fēng)速風(fēng)向采集點(diǎn)距地面高度分別為6m和1.5m，文章中只使用距地面高度1.5m的風(fēng)速風(fēng)向數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、大氣壓力、風(fēng)向、瞬時風(fēng)速、2min平均風(fēng)速、10min平均風(fēng)速、雨量間隔值、雨量日累計(jì)值。



2 環(huán)境溫度

鹽城市地處北亞熱帶氣候向暖溫帶氣候過渡地帶，具有過渡性特征，且受海洋影響較大，季風(fēng)氣候較明顯，冬季多偏北風(fēng)而夏季多偏南風(fēng)。為了確定鹽城試驗(yàn)場處氣候的每個季節(jié)所在時間段，依據(jù)QX/T152—2012《氣候季節(jié)劃分》，春季起始日定義為5日滑動平均氣溫超過10℃的氣溫序列的第1天；夏季起始日為5日滑動平均氣溫超過22℃的氣溫序列的第1天；秋季起始日為5日滑動平均氣溫低于22℃的氣溫序列的第1天；冬季起始日為5日滑動平均氣溫低于10℃的氣溫序列的第1天。表1示出2018—2019年鹽城試驗(yàn)場氣候季節(jié)劃分表。由表1可知，鹽城試驗(yàn)場當(dāng)?shù)氐臍夂虼呵飪杉境掷m(xù)時間較短，為期約2個月；而冬夏兩季持續(xù)時間較長，為期約4個月。


圖2示出2018—2019年鹽城試驗(yàn)場日平均溫度的變化曲線，日平均溫度通過24h平均法計(jì)算得到。由圖2可知，春季氣溫波動較大，整體呈周期性上漲；夏季氣溫波動較小；秋季氣溫變化周期性不如春季明顯，伴隨一定隨機(jī)性；冬季最低平均氣溫在0℃左右，基本不存在結(jié)冰現(xiàn)象。


圖3示出2018—2019年鹽城試驗(yàn)場月平均氣溫變化曲線，可見每年氣溫變化呈相同的周期性變化，1月份平均氣溫最低，7月份和8月份氣溫達(dá)到最高峰值。


環(huán)境溫度會影響到汽車各個系統(tǒng)部件的性能，例如：高溫環(huán)境會使制動襯片溫度升高、制動液冷卻較慢，從而影響汽車的制動性能；低溫環(huán)境會使發(fā)動機(jī)缸體、機(jī)油溫度降低，從而影響汽車?yán)鋯有阅艿取５黔h(huán)境溫度日變化通常隨日出而升高、日落而降低，波動并不劇烈。所以對于短時間內(nèi)的汽車場地試驗(yàn)來說，可以忽略環(huán)境溫度的影響。但是不同季節(jié)的場地試驗(yàn)間的對比就需要考慮環(huán)境溫度因素的影響，因?yàn)椴煌h(huán)境溫度下發(fā)動機(jī)負(fù)荷特性、輪胎溫度等都有所不同。

3 風(fēng)速

自然風(fēng)是一種隨機(jī)的空氣湍流流動，由平均風(fēng)和脈動風(fēng)構(gòu)成。平均風(fēng)速描述的是空間點(diǎn)處各個時間瞬時風(fēng)速的平均值，反映該空間位置風(fēng)速的穩(wěn)態(tài)強(qiáng)度；脈動風(fēng)速是指某時刻空間某點(diǎn)處瞬時風(fēng)速與平均風(fēng)速的差值，其概率密度分布接近于高斯分布，是一種典型的隨機(jī)分布函數(shù)。

日間和夜間風(fēng)速受氣溫變化導(dǎo)致的氣壓變化影響而有明顯不同。日間風(fēng)速通常大于夜間風(fēng)速，日間瞬時風(fēng)速波動通常也大于夜間瞬時風(fēng)速波動。所以將日間風(fēng)速和夜間風(fēng)速（以6：00和18：00為分界點(diǎn)）分別繪制成曲線，曲線由日間、夜間時間段內(nèi)所有10min平均風(fēng)速數(shù)據(jù)計(jì)算平均值獲得，如圖4所示。自然風(fēng)是一種非線性的空氣運(yùn)動，服從混沌理論并具有很強(qiáng)的隨機(jī)性。從圖4中也可以看出，風(fēng)速變化具有隨機(jī)性，風(fēng)速隨季節(jié)變化并不明顯，但夜間風(fēng)速普遍低于日間風(fēng)速。


圖5示出2018—2019年月平均風(fēng)速變化曲線。根據(jù)圖5可以確定，鹽城試驗(yàn)場所處地理位置的風(fēng)速變化具有一定的隨機(jī)性，但是日間風(fēng)速和夜間風(fēng)速具有很強(qiáng)的相關(guān)性。

汽車在道路上行駛過程中受到的氣動阻力、升力、側(cè)向力、俯仰力矩、橫擺力矩、側(cè)傾力矩會對汽車行駛特性產(chǎn)生影響。由于隨機(jī)性脈動風(fēng)的存在，使得汽車受到的力和力矩也具有一定的隨機(jī)性。隨機(jī)性因素的存在也使自然風(fēng)下汽車動態(tài)氣動特性分析有一定復(fù)雜度。在后續(xù)研究中，將利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法與混沌理論相結(jié)合，研究自然風(fēng)湍流流場，以及自然風(fēng)湍流流場對汽車動態(tài)氣動特性的影響。

4 風(fēng)向

風(fēng)向在宏觀尺度上受到季節(jié)和海洋等因素的影響，在微觀尺度上受到地形、地表粗糙度、地表建筑物等因素的影響。自然風(fēng)向也存在一定的隨機(jī)性。將風(fēng)向數(shù)據(jù)按季度分別繪制成玫瑰圖，如圖6和圖7所示。圖6和圖7中角度值代表風(fēng)從該方向吹來，風(fēng)向角0°表示正北，曲線向外擴(kuò)散的程度表示該方向風(fēng)向的頻數(shù)。

分析圖6和圖7可知，鹽城試驗(yàn)場冬季北風(fēng)偏多，夏季偏南風(fēng)偏多，并在春秋兩季有風(fēng)向變化逐漸過渡的趨勢。說明鹽城試驗(yàn)場的風(fēng)向主要受季風(fēng)影響。冬季風(fēng)向角基本均勻分布于330~60°，夏季風(fēng)向角則主要集中于120~150°。相對于冬季而言，夏季主要風(fēng)向更為集中，變化較小。
圖8示出鹽城試驗(yàn)場2018年和2019年年度風(fēng)向累計(jì)分布圖，由圖8可知，鹽城試驗(yàn)場主要風(fēng)向?yàn)楸憋L(fēng)、偏北風(fēng)以及東南風(fēng)，而風(fēng)向角為60~120°、180~270°的風(fēng)相對較少。

不同季節(jié)風(fēng)向的變化給不同季節(jié)汽車道路試驗(yàn)間的對比帶來了一定的困難。尤其是對自然風(fēng)比較敏感的試驗(yàn)，如滑行試驗(yàn)、經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)等。不同風(fēng)向角的自然風(fēng)對汽車氣動特性影響的規(guī)律比較復(fù)雜，因而自然側(cè)風(fēng)是汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究的熱點(diǎn)，自然側(cè)風(fēng)分為非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)和穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)2種，非穩(wěn)態(tài)側(cè)風(fēng)是汽車側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

5 降雨

鹽城試驗(yàn)場毗鄰黃海，常年雨水充沛。圖9示出鹽城試驗(yàn)場2018—2019年降雨量分布圖，由圖9可見，秋冬兩季降雨量較少，而春夏兩季降雨較多。7月屬于鹽城試驗(yàn)場的雨季，會出現(xiàn)短期大量降雨天氣。

但是對于汽車場地試驗(yàn)來說，降雨天氣意味著絕大多數(shù)場地試驗(yàn)由于路面附著系數(shù)的變化均無法正常進(jìn)行。鹽城試驗(yàn)場2018年總降雨天數(shù)和中雨及以上降雨天數(shù)均比2019年多，因此在此無須過多分析降雨天氣以及降雨天氣對汽車道路試驗(yàn)帶來的影響。

6 結(jié)論

文章通過分析鹽城汽車試驗(yàn)場2018—2019年的宏觀氣象規(guī)律得出：
1）氣溫、風(fēng)速、風(fēng)向、降雨量4個氣象條件的宏觀規(guī)律各有不同但相互關(guān)聯(lián)，并且各氣象條件逐年變化，具有一定的規(guī)律性；
2）文章為氣象條件對汽車動態(tài)氣動特性影響的研究奠定了理論基礎(chǔ)，對實(shí)現(xiàn)整車道路試驗(yàn)邊界條件精細(xì)化與可控化具有指導(dǎo)意義。

作者：于 群 陳宏偉 張曉輝 崔曉川 李志國
公眾號編輯：冷棘宇
來源：《汽車工程師》