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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
7 |; J7 t$ \. d) ?! r" U
                               
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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:
3 H. Q% J, {8 [* P- N- t) {' ~$ Z$ ]+ Q3 R( R
4 X) k7 c; m( d( Q& [1 K6 J- C/ Q

4 y1 o8 L' _) U1 [$ M+ d1 ^6 y! {. Z8 Y0 }                               
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0 M1 \* B+ f# Y% \% X                               
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: x; o0 w7 G- I: a# a) I

, e1 l8 o7 t+ H; b" R

2 b- o8 G% R  {& y8 m% _                               
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% M, H" q9 O* W; R8 ~) ^/ ~
                               
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# z7 X6 v- b: e& X1 W
这样二维平面上的连续方程就能自动满足。
$ h1 J9 x$ |9 i' x) E* b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

4 V' m. \; T: h% G  v6 E                               
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8 E) P* o3 O2 ]% C6 L
                               
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方向和
( F4 K. G0 V8 p$ |  Z* N, O
                               
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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
7 F8 u9 s* }9 p. Z
                               
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) g0 f: B+ r/ Q9 V; ]) q; `
实际就是求积分),我们可以设:

6 j4 D' D; ?5 ]9 ~$ u
* I5 U" A" B. s$ K

! E2 D5 n7 M$ C" u4 ?                               
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, \% T2 s) K. A4 G8 X; q
从这个点积分到任一点
2 P& @% J5 m; X' ^
                               
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。首先,
) J# c# T( b4 B( q" e- q
                               
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对y积分,有:( W  U% @6 X/ t

% u- O* ^& s- j6 S/ d- {# q* q: f' V- f! J: ^  ]
7 S! h2 D; p. A3 A8 `
                               
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" ?7 O! J3 B" x& p8 ?
                               
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( V  I9 t) _7 v2 l                               
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3 ?( i/ ^( q" C! p9 ~" B                               
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积分,有:

- M8 L  Z, C; }) R* h) Y0 `, P$ q+ _1 T# B

" @1 D" B# N! E. c7 P: m                               
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0 p( }' g- Z* g8 K3 Y                               
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( e; N2 p+ j2 s, ^3 E
左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即:
6 i: H; W/ A" Z9 F" z
- k* N- ]9 L2 h  O0 V! v
                               
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: A9 b9 p6 `' Q2 p现在只需要求出

. s% g  ~# C! x                               
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,就能求出我们需要的
" s9 e# V8 h! r
                               
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。通过观察发现,在

. p; O( ]- V8 N) n& o+ a" B                               
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中令

6 U  t3 j2 [8 r6 g* D8 Z* W                               
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即可得到我们想要的结果:1 U9 z8 k6 D, j2 A% Q8 n
- C1 c, G2 Z, j3 V3 q. t& J

; [5 Y8 B; l! X7 ~- _3 f* r$ L& x

5 i3 g  x4 j6 d" I9 `: j                               
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$ {- Z8 @/ e5 R2 X$ e最终有:
% v3 B- ]' w7 ?) {2 p. d; ~: N) n
% _8 _  i# j/ w. Z+ F) j$ \
* r% z, b, X2 Q$ N" o2 F+ B7 h
                               
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6 ]+ ?- F2 c$ T( [3 A7 I7 ~. K
                               
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# D8 F$ {3 U# h3 n" n. g& d$ Z
或者可在

+ |$ e3 h) \2 M; h" O) ^; @7 x& ?                               
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中令
/ u& ]2 n! G7 o) h. r
                               
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代入

5 C+ u7 D  Q  \  i& t+ S7 E: ]( S                               
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,有:5 ~# M1 q8 E: x5 x; _$ Q$ |, s
. V% {* b( y! F' |% u2 T9 |

* w6 x5 Y/ ~, E9 N# P/ d

1 M- |& J$ j$ k                               
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1 u7 k7 b8 {2 l8 q" P. p+ F! w( z7 ]                               
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! v" T1 H  p( w; g2 t7 |2 z* j: o
这样,利用
! U3 R: {; Q  N  ]  ~  M. K
                               
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, S3 y7 O: B; c0 J) S$ W# O
                               
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就可以进行流函数的编程计算。
# |) }+ S' T( I9 w2 d0 f
1 h. M- A* J' L7 \/ R3 S3 _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。
6 G; s8 I% G7 `) q0 A/ M, S1 |1 _, ?* T
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lyl
活跃在2022-11-2
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