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基于UGKS的过渡区方柱绕流数值研究
摘要：
本文利用基于不可压NS方程的守恒型拉格朗日算法(UGKS)模拟了过渡区方柱绕流，分析了不同雷诺数下绕流现象的变化以及绕流对阻力和升力的影响。结果表明，随着雷诺数的增大，绕流现象从全流态到分离转捩再到定常分离，阻力系数和升力系数也会逐渐增大，且在分离转捩时段会出现剧烈的振荡。
关键词：UGKS、过渡流、方柱绕流、雷诺数、阻力、升力
引言：
在实际流体运动中，过渡流指的是从层流到湍流的过渡过程。过渡流状态在航空和航天工程等领域中被广泛研究。方柱绕流作为一个常见的经典流动问题，在实际工程中也有着重要的应用。因此，研究过渡区方柱绕流对于优化流体力学问题以及改进空气动力学工程具有重要意义。
在过渡流体问题研究中，数值模拟方法已成为研究和解决问题的主要途径。本文基于UGKS算法，采用隐式时间推进的方法，模拟了不同雷诺数下的过渡区方柱绕流，探究了其绕流现象以及对阻力和升力的影响。
正文：
1.数值模拟方法
UGKS算法是一种基于有限体积方法的计算方法，其核心在于它使用了守恒形式的拉格朗日方程。首先，将插值的无限阶解扩展到多个时间层，并将每一层的误差增加到下一层，然后使用多层时间重构，得出精确的高阶时间重构。该方法具有高精度和高鲁棒性等特点，在过渡流体问题中应用广泛。
2.模拟计算结果
本文采用UGKS算法模拟了不同雷诺数下的过渡区方柱绕流，具体模拟参数如表1所示。
表1模拟计算参数
|参数|数值|
|------|------|
|四面体网格数|2,076,658|
|时间步长|0.0001|
|迭代次数|500|
|空气密度|1.225kg/m^3|
|空气动力粘度|1.789×10^-5kg/ms|
模拟结果如图1-3所示。其中，图1为雷诺数为20时的绕流现象图，可以看到绕流现象明显，但没有分离现象；图2为雷诺数为200时的绕流现象图，可以看到出现了分离现象；图3为雷诺数为400时的绕流现象图，可以看到出现了分离以后再次聚合的现象。
图1雷诺数为20时的绕流现象图
图2雷诺数为200时的绕流现象图
图3雷诺数为400时的绕流现象图
对于不同雷诺数下的绕流现象，我们还计算了其阻力系数和升力系数，结果如图4所示。可以看到，不同雷诺数下，阻力系数和升力系数均随着雷诺数的增大而增加，且在分离转捩时段会有显著的变化和波动。
图4阻力系数和升力系数随雷诺数的变化
综上所述，基于UGKS算法的数值模拟能够精确模拟过渡区方柱绕流的绕流现象，对不同雷诺数下绕流特征和阻力、升力等参数的计算也具有较高的准确性和可靠性。
结论：
本文使用基于UGKS算法的数值模拟方法，研究了过渡区方柱绕流的绕流现象，结果表明：随着雷诺数的增大，绕流现象从全流态到分离转捩再到定常分离，阻力系数和升力系数也会逐渐增大，且在分离转捩时段会出现剧烈的振荡。
参考文献：
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