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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

  @) f! z2 {1 b5 I2 D# C. S                               
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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:
* |  X  r. k8 e, q& q
6 D- j* a  b& N' f3 n' y, l: Y
0 Y( Q* ^' U( L
( f8 J+ n; d. |. G- F1 f
                               
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4 H3 j+ w8 W) |                               
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3 U: C: R, |3 L* t$ O6 m, l3 H; t& f( r. A
  o  E2 f8 G% D$ h/ |: A$ M
                               
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2 m( R4 o2 Y4 h; A; _1 c" l
                               
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$ z, ~' v' N# R这样二维平面上的连续方程就能自动满足。' w4 x' |0 V# I& s
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
: s3 V; o6 d- o* d3 h) V, e
                               
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) B$ c5 }# I( `: x4 w                               
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方向和
/ c" w! u( B" s$ j1 n/ Q3 h
                               
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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
6 z* ^/ p' ?: {
                               
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0 A. s. s+ j! `  j
实际就是求积分),我们可以设:

9 [1 E$ T: d7 B4 y! L( z% B
9 k+ A5 A7 s6 G* m! U, V" b! B8 {

2 ~$ ?0 |. K7 p0 A7 @                               
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4 r+ L% D3 Q; b( P9 |
从这个点积分到任一点

# |5 T* S: T, E                               
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。首先,
7 A" o) Y, q$ h% |% c
                               
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对y积分,有:" J8 ?9 n$ J3 _/ T8 D  C0 H

, g8 H! d# U" a+ X: {
& E( ]9 b4 E$ ^: W( t
/ \& F* e2 q* g2 e9 U8 ?0 Z
                               
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* z9 A- h" h( y# X0 @                               
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+ L3 E- }, m, ^: A                               
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7 f5 g" L0 Z* P
                               
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积分,有:

! ?+ Y  `) ]" X! S) c* V1 W6 ^3 A  {' f" ]3 ~% w6 N

0 A  l, ^* V1 ~  ~  U                               
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! M. [0 h# G' s; s1 u- A% A                               
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4 k' M# R: P1 @7 }& W左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即: & r$ L4 T3 T- B
) f* l4 I! [" g/ \: @) W
                               
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- F3 M  }( b) {- j" ~* E0 T现在只需要求出
* v' P: e' g# `0 F! T+ C2 T: b
                               
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,就能求出我们需要的

6 B& L, H0 g1 P9 ?0 K                               
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。通过观察发现,在
. X$ I! ?; {; Q- N# Z% d1 L
                               
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中令

7 x% _% e0 q, O- }. Y; y                               
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即可得到我们想要的结果:- [9 [2 ~3 j% ?/ w* G

$ H2 \3 G8 c& Y8 h$ u& P; j. f, g# v" M0 I. ^! E; f
3 ?/ {' R, o4 @9 Y
                               
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0 _0 E, _, V9 \* B, {- l2 e
最终有:
- ]# b7 y" Q9 r( L
  s1 D8 N( [& i4 i
# p( I* C2 }. _$ {* v4 O
                               
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9 ?$ }  M% B- c
                               
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2 X1 ^! O( L# U9 [! Y
或者可在

0 l4 q. K% p% |2 w+ Q. U. [" D                               
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中令
; S& ~9 v( _- M
                               
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代入
( K1 h9 I$ K7 b8 P! B
                               
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,有:
8 \2 m; ^! \8 ^, a4 \1 ~2 ]4 s; j
, y4 L! K! L9 Z
5 \- V% x! v; [+ d7 y' h4 c
) b+ p, ~8 I/ I0 w4 @1 T
                               
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6 f' g3 z+ L" O3 ?( q& r+ ?                               
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$ ?9 l9 w8 Z. `' T9 H这样,利用

. P" c2 L* I2 n: J                               
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0 \9 g& y" E# U  b                               
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就可以进行流函数的编程计算。
1 t$ d% m& u9 [- X4 i8 d
$ s( U" D4 o4 g  @) ^; I5 o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。
9 n: \. A( j, ?1 Y5 {3 f$ ?9 I( j. @+ Q) H( Q& ^/ C) F4 }0 y( o
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lyl
活跃在2022-11-2
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