中汽中心鹽城汽車試驗(yàn)場(chǎng)宏觀氣象規(guī)律分析*

于群 陳宏偉 張曉輝 崔曉川 李志國(guó)

（中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司）

整車道路性能試驗(yàn)是整車性能客觀評(píng)價(jià)的重要組成部分，但是在室外汽車試驗(yàn)場(chǎng)中進(jìn)行的整車道路試驗(yàn)受到氣象、道路、輪胎等環(huán)境隨機(jī)因素影響，試驗(yàn)結(jié)果波動(dòng)較大，通常通過(guò)增加重復(fù)試驗(yàn)次數(shù)降低試驗(yàn)隨機(jī)誤差。而氣象條件中，大氣溫度主要影響輪胎溫度，風(fēng)速、風(fēng)向會(huì)影響汽車行駛過(guò)程中的氣動(dòng)特性，因而氣象條件對(duì)汽車動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律比較復(fù)雜。我國(guó)汽車場(chǎng)地試驗(yàn)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)也對(duì)場(chǎng)地試驗(yàn)的氣象條件、場(chǎng)地條件有著明確而嚴(yán)格的規(guī)定，但是往往很難保證試驗(yàn)一致性，并且大量重復(fù)試驗(yàn)使得試驗(yàn)成本增加。為了研究氣象條件對(duì)汽車動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性的影響規(guī)律，分析試驗(yàn)場(chǎng)地區(qū)總體的氣象變化規(guī)律，文章對(duì)2018—2019 年中汽中心鹽城汽車試驗(yàn)場(chǎng)（以下簡(jiǎn)稱“鹽城試驗(yàn)場(chǎng)”）氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行宏觀氣象規(guī)律分析。

1 數(shù)據(jù)介紹

鹽城試驗(yàn)場(chǎng)氣象站氣象數(shù)據(jù)采集位置，如圖1 中星號(hào)標(biāo)記位置所示。該位置處于T4 直線制動(dòng)路與T5動(dòng)態(tài)廣場(chǎng)之間。氣象數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔為5 min。風(fēng)速風(fēng)向采集點(diǎn)距地面高度分別為6 m 和1.5 m，文章中只使用距地面高度1.5 m 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(shí)風(fēng)速、2 min 平均風(fēng)速、10 min 平均風(fēng)速、雨量間隔值、雨量日累計(jì)值。

圖1 中汽中心鹽城汽車試驗(yàn)場(chǎng)俯瞰圖

2 環(huán)境溫度

鹽城市地處北亞熱帶氣候向暖溫帶氣候過(guò)渡地帶，具有過(guò)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)[1]。為了確定鹽城試驗(yàn)場(chǎng)處氣候的每個(gè)季節(jié)所在時(shí)間段，依據(jù)QX/T 152—2012《氣候季節(jié)劃分》，春季起始日定義為5 日滑動(dòng)平均氣溫超過(guò)10 ℃的氣溫序列的第1 天；夏季起始日為5 日滑動(dòng)平均氣溫超過(guò)22 ℃的氣溫序列的第1 天；秋季起始日為5 日滑動(dòng)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(dòng)平均氣溫低于10 ℃的氣溫序列的第1 天[2]。表1 示出2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)氣候季節(jié)劃分表。由表1 可知，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)當(dāng)?shù)氐臍夂虼呵飪杉境掷m(xù)時(shí)間較短，為期約2 個(gè)月；而冬夏兩季持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為期約4 個(gè)月。

表1 2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)氣候季節(jié)劃分表

圖2 示出2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)日平均溫度的變化曲線，日平均溫度通過(guò)24 h 平均法計(jì)算得到。由圖2 可知，春季氣溫波動(dòng)較大，整體呈周期性上漲；夏季氣溫波動(dòng)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2 2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)日平均氣溫分布圖

圖3 示出2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)月平均氣溫變化曲線，可見(jiàn)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。

圖3 2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)月平均氣溫分布圖

環(huán)境溫度會(huì)影響到汽車各個(gè)系統(tǒng)部件的性能，例如：高溫環(huán)境會(huì)使制動(dòng)襯片溫度升高、制動(dòng)液冷卻較慢，從而影響汽車的制動(dòng)性能[3]；低溫環(huán)境會(huì)使發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、機(jī)油溫度降低，從而影響汽車?yán)鋯?dòng)性能等。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(dòng)并不劇烈。所以對(duì)于短時(shí)間內(nèi)的汽車場(chǎng)地試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，可以忽略環(huán)境溫度的影響。但是不同季節(jié)的場(chǎng)地試驗(yàn)間的對(duì)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(dòng)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(dòng)，由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)構(gòu)成[4]。平均風(fēng)速描述的是空間點(diǎn)處各個(gè)時(shí)間瞬時(shí)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(dòng)風(fēng)速是指某時(shí)刻空間某點(diǎn)處瞬時(shí)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(shí)風(fēng)速波動(dòng)通常也大于夜間瞬時(shí)風(fēng)速波動(dòng)。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(shí)間段內(nèi)所有10 min 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(dòng)，服從混沌理論并具有很強(qiáng)的隨機(jī)性[5]。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4 2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)日夜平均風(fēng)速分布圖

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(chǎng)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。

圖5 2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)月度平均風(fēng)速分布圖

汽車在道路上行駛過(guò)程中受到的氣動(dòng)阻力、升力、側(cè)向力、俯仰力矩、橫擺力矩、側(cè)傾力矩會(huì)對(duì)汽車行駛特性產(chǎn)生影響[6]。由于隨機(jī)性脈動(dòng)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(dòng)態(tài)氣動(dòng)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(chǎng)，以及自然風(fēng)湍流流場(chǎng)對(duì)汽車動(dòng)態(tài)氣動(dòng)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(lái)，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)。

圖6 2018 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)季度風(fēng)向分布圖

圖7 2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)季度風(fēng)向分布圖

分析圖6 和圖7 可知，鹽城試驗(yàn)場(chǎng)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(guò)渡的趨勢(shì)。說(shuō)明鹽城試驗(yàn)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(duì)較少。

圖8 2018—2019 年鹽城試驗(yàn)場(chǎng)風(fēng)向累計(jì)分布圖

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(duì)比帶來(lái)了一定的困難。尤其是對(duì)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(duì)汽車氣動(dòng)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)[7]。

5 降雨

鹽城試驗(yàn)場(chǎng)毗鄰黃海，常年雨水充沛。圖9 示出鹽城試驗(yàn)場(chǎng)2018—2019 年降雨量分布圖，由圖9 可見(jiàn)，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(chǎng)的雨季，會(huì)出現(xiàn)短期大量降雨天氣。

圖9 鹽城試驗(yàn)場(chǎng)2018—2019 年降雨分布圖

但是對(duì)于汽車場(chǎng)地試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，降雨天氣意味著絕大多數(shù)場(chǎng)地試驗(yàn)由于路面附著系數(shù)的變化均無(wú)法正常進(jìn)行。鹽城試驗(yàn)場(chǎng)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(wú)須過(guò)多分析降雨天氣以及降雨天氣對(duì)汽車道路試驗(yàn)帶來(lái)的影響。

6 結(jié)論

文章通過(guò)分析鹽城汽車試驗(yàn)場(chǎng)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(gè)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(duì)汽車動(dòng)態(tài)氣動(dòng)特性影響的研究奠定了理論基礎(chǔ)，對(duì)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。