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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
! M1 o6 _2 U) X, Z$ t
                               
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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:
1 g0 p3 x4 g/ J( E6 I6 U  a
/ {- \! C0 E, n* y- a# L8 G0 W% q* K7 J/ m, R5 O, ]0 E6 \; T. W, W

$ A# H, @! @0 R2 @, i/ ~: X                               
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) @6 ]* P( z- {; Q! z' F5 F& a                               
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" p/ f6 w$ o; c+ N& }) ~6 }  }; P3 l! ]& x
" u! ]- _- f, z; L
                               
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! X5 K' x2 ^* _5 c6 i8 B  w                               
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- Z* r: u- [# W  {' L0 M0 e
这样二维平面上的连续方程就能自动满足。
% s: K; z; r) |# V" N6 N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
1 _4 J" l3 I! D' [
                               
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7 n4 E5 k' e. m0 S' Y" g                               
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方向和
) q1 N7 L+ l( i0 I
                               
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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
2 G) C7 V! \: ~9 ~5 L3 Z) ?, }, m9 E
                               
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& L- U& F- k. r8 [( v
实际就是求积分),我们可以设:

) x3 `( _% w3 P: M  l7 R* n5 f* X% z, j
. Q5 M. Y$ g4 a, X4 v. f) }
                               
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5 {* r4 O& f7 \从这个点积分到任一点

3 L) u0 \! @8 ?# Q! Q' i                               
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。首先,
. n6 }; j- ~6 a
                               
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对y积分,有:
( q2 b& S3 o; M$ q* Y6 A+ y; W! U' n
$ l# T) U4 Y% y# d0 V
5 I0 T+ W! S) x% Q* v9 o! d4 i
" h7 n7 h( L. H' h& ]2 d+ D
                               
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* C1 g* _. P9 v9 `3 i; L. c
                               
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9 x  B; n: N& O* |: t
                               
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' i  w( f1 |, l8 R$ o6 F
                               
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积分,有:

, f2 P( W% S$ L$ I0 R  T  H4 O6 y8 c7 ^7 G5 m" T$ z1 u. H' \

4 {# R% B  C6 E* j$ n( ^) q                               
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( q1 b+ `$ b8 H8 y. M: u0 v                               
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3 u8 G; W8 Z/ {* y: P$ p6 W- D左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即: & B/ w# G, y/ G- r. g
. w# |2 I% E( t$ a. @  F
                               
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0 P+ Y- r3 b( P1 j现在只需要求出
2 o1 W; r4 j8 k8 H/ O
                               
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,就能求出我们需要的

& _& x4 }+ J$ s/ P0 ^$ W4 e" O                               
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。通过观察发现,在

+ H) i, t0 h8 P% a8 ]                               
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中令
0 e  J: ?3 n# |! M% t* l* }4 b" ^
                               
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即可得到我们想要的结果:
" O2 w; Y! ^' M; `
$ h5 Y1 c$ Y4 |- q4 ^9 ?$ a* x  a
  K: }9 t6 _  i% a! v% @

) l1 K" i1 N# m- z7 J5 Z  B                               
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5 J' J* ]3 v2 L+ f# D" d! o2 R最终有:
+ [& w1 {; }- Y' ]+ K
! s/ E5 R. J  u1 l# {
+ n! Y# t' C7 \8 W  t
                               
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+ g" a, R9 i1 l: P  e/ A. p$ o                               
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  @5 M$ k) P8 u0 p. v# X
或者可在
. v- Z- N8 ?3 o$ B( v, Y4 c
                               
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中令
: c- k+ w1 _3 W
                               
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代入

1 _% r( h# E( d9 H" L                               
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,有:
$ n+ p% T: @- }. R2 F0 o9 x! P, |! |9 Y! o, C. p0 Q

4 w+ g9 v$ H& [* \9 {- n

1 `! j0 n' W) F( X$ Z                               
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8 ^$ Z% t% G/ v2 a9 i                               
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! W. }) b0 t5 r5 ?: }
这样,利用
3 k5 U( l# D6 F  f5 Y
                               
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# E/ N: t, L* @2 X0 w" r
                               
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就可以进行流函数的编程计算。
. N7 g, G3 N. y6 n9 Q# W6 n
! l" q9 l/ V, O: _$ [( ~5 k6 l, f( p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。
& P7 p# V! M. q; g% y- c' D2 t: ?/ E0 w8 P2 y* l+ x
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lyl
活跃在2022-11-2
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