圆柱绕流是流体力学中最经典的钝体绕流问题，广泛存在于风工程（高耸结构、桥梁）、海洋工程（立管、缆索）、热交换器与钝体减阻设计中。绕流产生的阻力、升力周期性脉动及卡门涡街直接关系结构安全与疲劳寿命。阻力系数 C_D 随雷诺数 Re 的变化规律（阻力危机）是钝体空气动力学研究的核心内容，也是数值方法验证的基准算例。
本项目采用 CFD 方法对光滑圆柱绕流进行仿真，计算 C_D 随 Re 的变化曲线（Re = 1 ~ 10⁶），并对 Re = 100 的定常/准定常流场进行详细分析，考察边界层分离、尾流结构与压力分布。
不可压 N-S 方程通过有限体积法离散。Re 较低时采用稳态 RANS（SST k-ω 模型）或直接求解；Re = 100 时流动为层流，可解瞬态 N-S 方程捕捉涡街；高 Re 下需湍流模型（如 SST k-ω 或转捩模型）并注意转捩位置对阻力的关键影响。
C_D = F_D/(½ρU²D)。经典实验结果（Schlichting、Roshko）显示：Re < 1 时 C_D 随 Re 增大快速下降（斯托克斯区）；Re ~ 10² 时 C_D ≈ 1.0–1.3；Re ~ 10³–10⁵ 时 C_D 平台于约 1.0–1.2；当 Re 接近 3×10⁵ 时，边界层由层流转捩为湍流，分离点后移、尾流变窄，C_D 骤降至约 0.3，此即”阻力危机”。
图 12 的左面板给出 C_D 随 Re 变化的曲线（对数-对数坐标）。蓝色圆点线显示：低 Re 区 C_D 单调下降，Re = 1 时约 10，Re = 40 时约 1.7；Re = 10³–10⁵ 区间 C_D 稳定在约 1.0–1.15 的平台；在 Re = 3×10⁵ 处 C_D 骤降至 0.3 附近，随后在 Re = 10⁶ 回升至约 0.4。红色虚线标注阻力危机位置，与经典实验曲线一致。该曲线是论文中”数值方法验证”的标准配图，表明 CFD 能定量复现钝体阻力随 Re 演变的全部特征。
图 12 的右面板给出 Re = 100 时圆柱周围的流场速度云图（|u|/U_∞）。上半部分显示来流在圆柱前缘减速、加速绕流并在背风面形成低速尾流区，颜色由冷色到暖色表示速度由低到高。可以看到边界层在圆柱约 80° 位置分离，尾流中形成两排交替脱落的涡（卡门涡街前兆），回流区清晰可辨。该流场图直观呈现了 Re = 100 层流绕流的分离-尾流结构，对应左面板中 C_D ≈ 1.3 的工况。
两面板结合，从宏观阻力规律（左）到微观流场结构（右）全面刻画了圆柱绕流特性，既验证了方法，又提供了流动机理图像。
本项目系统仿真了光滑圆柱绕流的 C_D–Re 关系，复现了阻力危机现象，并在 Re = 100 下展示了边界层分离与尾流结构。案例图以阻力曲线与流场云图双面板呈现。
需要指出的是，涡脱落频率是绕流研究的另一关键参数，由斯特劳哈尔数 St = fD/U 描述。对光滑圆柱，St 在 Re ≈ 10²–10⁵ 区间保持约 0.2 的近似常数，对应涡街稳定脱落；当 Re 跨越阻力危机进入转捩区后，St 跳升至约 0.3–0.4，反映剪切层转捩对涡街结构的调制。这一”St–Re”规律与本文 C_D–Re 曲线相互补充，共同构成钝体绕流动力特性的完整描述，可为涡激振动与流噪声预测提供输入参数。
后续可拓展：(1) 研究表面粗糙度对阻力危机位置的移动效应；(2) 分析涡脱落频率（斯特劳哈尔数）随 Re 的变化；(3) 结合流固耦合，评估圆柱结构的涡激振动响应。
