[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

& u6 X+ n9 i( l8 W                               
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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 D' y0 W  w3 Y  w" g0 d: N' \& H  a& Z3 d- W4 v
4 X; {7 t& I3 Y5 B, H0 X: J7 b9 k! O6 y9 O
  p" J5 N$ Y% v+ |- v
                               
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+ f  X$ v; X) ]
                               
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9 h: M; f0 j1 N! l$ g  y8 e8 [: {* r( t7 @# Y/ g
: [9 s9 w8 b# L, O0 D( A$ Q$ A
                               
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8 ~- A' a7 n0 b) t! w$ k, k  ]                               
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% a2 B  T/ d+ i, Y/ J4 Y这样二维平面上的连续方程就能自动满足。4 m0 m- x; T. B6 A/ w
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
9 n8 ~0 x  J5 X5 P. p
                               
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2 O6 ?( a* l4 j+ s9 ]2 ^
                               
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方向和
! [: [* n7 X1 r
                               
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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
1 ^/ J; _/ z4 ~4 L
                               
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+ D* p" s, P" B
实际就是求积分),我们可以设:
$ x6 m; x3 t! f+ f  [" A
/ M0 Q* J8 ]# p8 E% `  X) L% W" d5 u

7 T# n+ v8 t' `+ ~2 t9 u' u                               
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  C$ A: p+ v: N从这个点积分到任一点
6 i: z4 F9 a$ P2 _
                               
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。首先,

8 {) C# b+ J' g- |5 Z! i: M                               
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对y积分,有:  e" W) g. E# x* b1 B6 e

" e& A' Z1 [" D" {# k
3 \; L' q# j2 @% q

* D& n; ?3 e1 F) F' B1 P  Q                               
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- @% v3 u# @% p* K                               
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7 S: i" a6 @) B0 l
                               
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/ v$ p/ P$ k. S8 J* j                               
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积分,有:
& T% `% F2 s4 k: ?0 X
' L9 q  i3 u) O) g

, l6 u% i* a3 F* |+ k. R% u7 ~; w                               
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. P9 F5 D* M4 i                               
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# W, _- i9 @* u  F: }! n( V" }
左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即:
! I) j. i- C( g7 e

1 x; w2 o! Y. w$ K  K" h8 x7 K3 B$ f                               
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$ t. R2 z5 `. T+ a8 ~2 J0 \1 V
现在只需要求出
" |- H# J  B6 g6 I8 N7 _' U$ P) F+ `
                               
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,就能求出我们需要的

. s- e8 q* ^4 Z  \# d; X$ y* c; y                               
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。通过观察发现,在
: [2 ~+ e! c% g: c9 |7 K
                               
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中令
* J) J+ _% r: o* d" S/ b+ @, g3 v+ H
                               
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即可得到我们想要的结果:
( W( k8 \: _# w5 n) [% H' A& h) B3 J! m3 y) Y& J; y
5 q! s! D9 }2 R! T
# o2 y, t9 y. H4 q' h$ z/ g2 R
                               
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/ c8 f; F$ o) d( h( G最终有:& i$ J7 \0 o2 f( ^3 y& n( g9 V

0 q$ d: V. h9 b1 \+ b( ?& X

' F4 P( W7 C& |                               
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  ]: l) M1 G7 k  h                               
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. V% Z, m: |, I, ~$ a或者可在

! r+ U: L- D% X) x                               
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中令
/ B- z( h# h( l3 s# B
                               
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代入

& c' d. B8 j8 q, ^, o. p- R                               
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,有:
7 W, Q/ T  v' _
; Q) M4 ]2 P3 A: s" B. \! M9 Z$ Q) i
% }0 J+ u. W) `0 k8 e: o/ P
                               
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( r0 R" g' G( J" q4 _$ C# z- Z                               
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( I8 J& H: ~4 A1 c1 F9 n& [+ o# N! G
这样,利用

8 j$ Y' t! J  T" d) B                               
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+ V  ^& B, q+ V8 R                               
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就可以进行流函数的编程计算。
. a/ l, `, z5 ~7 j
) m) a; g! s' B3 y5 h; W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。
* O, g3 w1 C# R( t
, ~+ v2 F0 X+ |) g0 ?
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lyl
活跃在2022-11-2
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