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[物理海洋] 关于海洋数值模型里面求流函数的过程

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流函数

8 t. `( G1 x2 \8 f2 h                               
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是空间中的一个场,用它可以表示平面不可压缩流体的速度:
5 k4 _$ h' Z0 |4 B
$ ~2 D( F: ?& [/ V! j) H+ X  A
1 {5 j' _6 s6 w

( Y) W+ c) G* e) }8 j                               
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. I3 N. V2 A, M5 F" r" N                               
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1 _  U/ C# B! Q3 ^6 Q0 Y- ?5 {# i0 }: E  N

$ h6 f3 A( z8 l4 u$ z  Y/ d                               
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3 w8 N8 ]) H' m
                               
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6 `9 y0 S% r0 B1 ]/ Q5 W: W' N
这样二维平面上的连续方程就能自动满足。
( Z3 [" n- Y8 D" z4 {我们的目标是要根据这两个式子求流函数标量场。可以想象,这两个式子规定了场
+ M$ C# A+ Z6 f% I5 w1 F
                               
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/ N* x2 _/ j* a& t" |' o$ O; ]( Y8 y                               
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方向和
7 T2 Y& a. [5 h& _/ ]; U' ^8 y# \
                               
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方向的变化,并不涉及具体的数值。因此,我们需要给定一个流函数的积分零点(求

# ]% P: N' @! ^- X                               
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8 a" R% V: a2 X4 }9 T+ n
实际就是求积分),我们可以设:

, W: q( j9 C' D5 G
3 a$ ?: O; _) K
& S  B) q  y' l+ ^0 w: j/ Q
                               
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5 h( T1 A. f! J. I+ i从这个点积分到任一点
% J  w4 u0 [  m1 Q3 W
                               
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。首先,

/ L( f! u; e- x7 O+ k& ?; [9 s) R                               
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对y积分,有:
8 E/ U+ e$ A& [. d
- L* W2 G  \2 X1 Q% Y
3 }1 A0 B' N( K5 L5 p4 Y
$ U$ j# M/ {) C6 t4 t
                               
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% y% i6 Z6 W, A4 `                               
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2 i  S: p5 x# I% ?                               
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9 V8 x+ R5 C& e. t6 W) S1 u# G: g                               
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积分,有:
1 P9 J; a( T8 W: i5 b- w

, d6 B% T4 e4 L7 Z2 q
. Z4 o8 d0 w+ o# w* h) h. x
                               
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- v( T4 ~( s! h6 L% c
                               
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, z5 s, D; X& d3 J5 V6 P# i
左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即: ; u) B2 `$ J: |
$ C) M+ v# C7 O* F2 t- A
                               
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8 P+ [8 `+ R% O7 M# x% z8 u现在只需要求出
, Q2 `; P/ z! u/ V+ _* d/ w
                               
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,就能求出我们需要的
8 a2 U1 ~% I, Q
                               
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。通过观察发现,在
: R% l4 h' s+ x8 }
                               
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中令

' T9 [' G& B$ N1 q8 D                               
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即可得到我们想要的结果:
& Z! v9 W, D7 e+ f4 |6 g0 @- @. u9 ?1 f2 ^
8 o6 G+ e1 U0 a+ x

& g+ Y0 `2 C7 X# O                               
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2 ?0 ?, w5 X: V: b6 D. F9 M' \2 u& N) C
最终有:" H! V; s: v) S: _

) n9 G* I. }2 y% ?( Q  a
( @% B" {  {7 g
                               
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/ u) r3 `7 R9 `9 U" v7 U; ^" I
                               
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7 k9 ?5 |  \( V: ?7 n% ?9 m或者可在

: W7 M. f8 b' B9 t                               
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中令
9 E4 K8 H! @' E" C2 B: L4 Y
                               
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代入
# I1 _& L6 D. O. H) g
                               
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,有:- H3 K0 z. _8 U; e$ g

9 Q& t6 M4 _5 u; B5 s; u& J
1 z0 Y$ A5 n& I  r' Q
4 W% Y+ Q7 \5 |/ v+ ~3 |
                               
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  D& m; U4 v! {9 m$ \/ W9 q& e
                               
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3 ?' p' H3 q/ u5 j* `( M1 }5 @
这样,利用
2 s, F* F5 D# J3 o: d6 @' D
                               
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2 w' C! L* `1 N( D( e
                               
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就可以进行流函数的编程计算。
  ~/ x8 e8 Z& C; p( s
6 Q) d0 m+ S) V! z6 F5 t值得注意的是,可以对求得的流函数加减常数,以使需要的陆地岸界为0。$ ?8 S2 ~# ^; R6 F3 _% v3 b( v

9 n) I) w4 i- u8 K
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lyl
活跃在2022-11-2
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