中汽中心盐城汽车试验场宏观气象规律分析

摘要

为了研究气象条件对汽车动态气动特性的影响规律，分析了中汽中心盐城汽车试验场2018-2019年的气象数据。利用该试验场气象站采集的气象数据，经过从环境温度、风速、风向和降雨量( 个方面的宏观气象规律分析得出：春季气温波动较大，夏季气温波动较小，秋季气温变化具有一定随机性，冬季最低平均气温在0℃左右；夜间风速普遍低于日间风速，但日间风速和夜间风速具有很强的相关性；盐城试验场冬季北风较多，夏季偏南风较多；秋冬两季降雨较少，春夏两季降雨较多。通过对影响整车道路试验的气象条件进行归纳分析，为后续汽车动态气动特性研究提供了气象理论基础。
燃料电池汽车的动力源为质子交换膜燃料电池，借助于氢氧燃料化学反应产生驱动汽车运行的电力，由于氢氧燃料电池反应只产生水，对环境接近零污染且噪声小，是新一代清洁能源汽车，已经成为汽车产业重要的发展方向。

1 数据介绍

盐城试验场气象站气象数据采集位置，如图1中星号标记位置所示。该位置处于T4直线制动路与T5动态广场之间。气象数据采集时间间隔为5min。风速风向采集点距地面高度分别为6m和1.5m，文章中只使用距地面高度1.5m的风速风向数据。数据内容包括环境温度、环境湿度、大气压力、风向、瞬时风速、2min平均风速、10min平均风速、雨量间隔值、雨量日累计值。



2 环境温度

盐城市地处北亚热带气候向暖温带气候过渡地带，具有过渡性特征，且受海洋影响较大，季风气候较明显，冬季多偏北风而夏季多偏南风。为了确定盐城试验场处气候的每个季节所在时间段，依据QX/T152—2012《气候季节划分》，春季起始日定义为5日滑动平均气温超过10℃的气温序列的第1天；夏季起始日为5日滑动平均气温超过22℃的气温序列的第1天；秋季起始日为5日滑动平均气温低于22℃的气温序列的第1天；冬季起始日为5日滑动平均气温低于10℃的气温序列的第1天。表1示出2018—2019年盐城试验场气候季节划分表。由表1可知，盐城试验场当地的气候春秋两季持续时间较短，为期约2个月；而冬夏两季持续时间较长，为期约4个月。


图2示出2018—2019年盐城试验场日平均温度的变化曲线，日平均温度通过24h平均法计算得到。由图2可知，春季气温波动较大，整体呈周期性上涨；夏季气温波动较小；秋季气温变化周期性不如春季明显，伴随一定随机性；冬季最低平均气温在0℃左右，基本不存在结冰现象。


图3示出2018—2019年盐城试验场月平均气温变化曲线，可见每年气温变化呈相同的周期性变化，1月份平均气温最低，7月份和8月份气温达到最高峰值。


环境温度会影响到汽车各个系统部件的性能，例如：高温环境会使制动衬片温度升高、制动液冷却较慢，从而影响汽车的制动性能；低温环境会使发动机缸体、机油温度降低，从而影响汽车冷启动性能等。但是环境温度日变化通常随日出而升高、日落而降低，波动并不剧烈。所以对于短时间内的汽车场地试验来说，可以忽略环境温度的影响。但是不同季节的场地试验间的对比就需要考虑环境温度因素的影响，因为不同环境温度下发动机负荷特性、轮胎温度等都有所不同。

3 风速

自然风是一种随机的空气湍流流动，由平均风和脉动风构成。平均风速描述的是空间点处各个时间瞬时风速的平均值，反映该空间位置风速的稳态强度；脉动风速是指某时刻空间某点处瞬时风速与平均风速的差值，其概率密度分布接近于高斯分布，是一种典型的随机分布函数。

日间和夜间风速受气温变化导致的气压变化影响而有明显不同。日间风速通常大于夜间风速，日间瞬时风速波动通常也大于夜间瞬时风速波动。所以将日间风速和夜间风速（以6：00和18：00为分界点）分别绘制成曲线，曲线由日间、夜间时间段内所有10min平均风速数据计算平均值获得，如图4所示。自然风是一种非线性的空气运动，服从混沌理论并具有很强的随机性。从图4中也可以看出，风速变化具有随机性，风速随季节变化并不明显，但夜间风速普遍低于日间风速。


图5示出2018—2019年月平均风速变化曲线。根据图5可以确定，盐城试验场所处地理位置的风速变化具有一定的随机性，但是日间风速和夜间风速具有很强的相关性。

汽车在道路上行驶过程中受到的气动阻力、升力、侧向力、俯仰力矩、横摆力矩、侧倾力矩会对汽车行驶特性产生影响。由于随机性脉动风的存在，使得汽车受到的力和力矩也具有一定的随机性。随机性因素的存在也使自然风下汽车动态气动特性分析有一定复杂度。在后续研究中，将利用机器学习算法与混沌理论相结合，研究自然风湍流流场，以及自然风湍流流场对汽车动态气动特性的影响。

4 风向

风向在宏观尺度上受到季节和海洋等因素的影响，在微观尺度上受到地形、地表粗糙度、地表建筑物等因素的影响。自然风向也存在一定的随机性。将风向数据按季度分别绘制成玫瑰图，如图6和图7所示。图6和图7中角度值代表风从该方向吹来，风向角0°表示正北，曲线向外扩散的程度表示该方向风向的频数。

分析图6和图7可知，盐城试验场冬季北风偏多，夏季偏南风偏多，并在春秋两季有风向变化逐渐过渡的趋势。说明盐城试验场的风向主要受季风影响。冬季风向角基本均匀分布于330~60°，夏季风向角则主要集中于120~150°。相对于冬季而言，夏季主要风向更为集中，变化较小。
图8示出盐城试验场2018年和2019年年度风向累计分布图，由图8可知，盐城试验场主要风向为北风、偏北风以及东南风，而风向角为60~120°、180~270°的风相对较少。

不同季节风向的变化给不同季节汽车道路试验间的对比带来了一定的困难。尤其是对自然风比较敏感的试验，如滑行试验、经济性试验等。不同风向角的自然风对汽车气动特性影响的规律比较复杂，因而自然侧风是汽车侧风稳定性研究的热点，自然侧风分为非稳态侧风和稳态侧风2种，非稳态侧风是汽车侧风稳定性研究的重点和难点。

5 降雨

盐城试验场毗邻黄海，常年雨水充沛。图9示出盐城试验场2018—2019年降雨量分布图，由图9可见，秋冬两季降雨量较少，而春夏两季降雨较多。7月属于盐城试验场的雨季，会出现短期大量降雨天气。

但是对于汽车场地试验来说，降雨天气意味着绝大多数场地试验由于路面附着系数的变化均无法正常进行。盐城试验场2018年总降雨天数和中雨及以上降雨天数均比2019年多，因此在此无须过多分析降雨天气以及降雨天气对汽车道路试验带来的影响。

6 结论

文章通过分析盐城汽车试验场2018—2019年的宏观气象规律得出：
1）气温、风速、风向、降雨量4个气象条件的宏观规律各有不同但相互关联，并且各气象条件逐年变化，具有一定的规律性；
2）文章为气象条件对汽车动态气动特性影响的研究奠定了理论基础，对实现整车道路试验边界条件精细化与可控化具有指导意义。

作者：于 群 陈宏伟 张晓辉 崔晓川 李志国
公众号编辑：冷棘宇
来源：《汽车工程师》