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場2018-2019年的氣象數(shù)據(jù)。利用該試驗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)速具有很強的相關(guān)性；鹽城試驗場冬季北風(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的氣象條件進行歸納分析，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年鹽城試驗場氣候季節(jié)劃分表。由表1可知，鹽城試驗場當(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年鹽城試驗場日平均溫度的變化曲線，日平均溫度通過24h平均法計算得到。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?。磺锛練鉁刈兓芷谛圆蝗绱杭久黠@，伴隨一定隨機性；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)動機缸體、機油溫度降低，從而影響汽車?yán)鋯有阅艿?。但是環(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)的場地試驗間的對比就需要考慮環(huán)境溫度因素的影響，因為不同環(huán)境溫度下發(fā)動機負荷特性、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)強度；脈動風(fēng)速是指某時刻空間某點處瞬時風(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）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動，服從混沌理論并具有很強的隨機性。從圖4中也可以看出，風(fēng)速變化具有隨機性，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，鹽城試驗場所處地理位置的風(fēng)速變化具有一定的隨機性，但是日間風(fēng)速和夜間風(fēng)速具有很強的相關(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性。隨機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示出鹽城試驗場2018年和2019年年度風(fēng)向累計分布圖，由圖8可知，鹽城試驗場主要風(fēng)向為北風(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，如滑行試驗、經(jīng)濟性試驗等。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，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)定性研究的重點和難點。

5 降雨

鹽城試驗場毗鄰黃海，常年雨水充沛。圖9示出鹽城試驗場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來說，降雨天氣意味著絕大多數(shù)場地試驗由于路面附著系數(shù)的變化均無法正常進行。鹽城試驗場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帶來的影響。

6 結(jié)論

文章通過分析鹽城汽車試驗場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)，對實現(xiàn)整車道路試驗邊界條件精細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》