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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

: l9 z( ~+ N+ V/ h, u) o                               
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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:
) v# j# m' I0 K$ p' d9 n
. w4 I9 ~5 P) F/ h0 V: \" I
+ E; f2 m0 E: v$ I3 o! g' l; d& q

$ q  \' C9 p9 @6 K, r2 l                               
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# ]+ a8 a( }" d3 J
                               
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  p& L( w  j( k3 I4 G& N- s$ H  D3 V2 Y' ]4 {; F+ Q

' r  h* j& R( q/ Z6 X                               
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, u$ N% O, B) C. R                               
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1 N; t  A2 c$ `
这样二维平面上的连续方程就能自动满足。3 v/ M1 X& z5 e8 J  z# k' E- F8 ^$ H
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
5 `3 x. ~+ e/ s  Y) ?' i
                               
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9 \( n* V# |4 ^                               
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方向和
- M3 A; R* d/ L! _, c1 L' N
                               
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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
0 R/ \; z- J$ V' @" ?& J
                               
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3 I) F6 }! A' T8 u: v0 e8 {2 p
实际就是求积分),我们可以设:

) d& g6 s& y0 g# A; d2 G0 p0 G& ~& c

) A! v1 Y7 X6 L2 l' }& ^                               
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" G0 e; u! ?: n# k1 W( z从这个点积分到任一点
2 i+ \6 }% Z- p
                               
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。首先,
% [, o# v- q0 w. G! e
                               
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对y积分,有:/ r. D- U* S' B) v& W

5 d3 [7 J, k! B6 i0 ~0 V$ l7 i3 K6 L) C- K
" U/ t* I  n3 ^7 a, L8 I
                               
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1 K7 v: r" _3 R6 ^* F$ R                               
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7 h% k4 C1 X* b: S                               
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2 @: w% o9 }# I3 x2 R9 g& p* T) B
                               
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积分,有:

# [% Q! T4 K0 w8 _
. e% M9 N: e. R

5 Z. f; J: _, D7 |                               
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( u2 E# s* p6 N. ~$ B, ^
                               
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. ^  L; a" e% H7 r左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即: 5 w7 R. x5 p  T# H4 A3 u% J$ Q
% D- ]0 h" y8 ~# }! V2 B
                               
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0 K2 w  v7 f8 v" c. A0 r# a1 B% N4 @
现在只需要求出
. z8 \7 l: _6 N) K* z' ~2 @  l
                               
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,就能求出我们需要的
* \4 U7 P: L" Q  z
                               
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。通过观察发现,在

5 \9 I5 |' O5 Y2 Q& B0 B5 s/ @                               
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中令

( j, b8 t8 C3 p                               
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即可得到我们想要的结果:! L/ a( R& D2 \

! h3 q6 u! P( |2 ?2 n- t& _$ U" e; w2 q8 t" s+ y3 a: c6 L) y

5 F1 g  A+ ^/ m3 p" W- v                               
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% w& ]. ^' N& `/ ^' j  o. b最终有:1 k+ B* N3 d+ L+ R$ _% a! M7 ?( E+ z3 e
" M* t5 Z4 Y0 {. ?# @

$ B: \$ N/ x# l, C8 Y; G                               
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$ O" w7 v8 Z4 \                               
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* t/ y9 {! H9 Z8 B9 }或者可在

% ]5 }7 c  V$ y, M# h                               
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中令
8 g# N' d  o9 h" _3 Y( X
                               
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代入

; t: o2 y  w* Q                               
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,有:7 I0 v! k* s! C/ o3 q  }

, k8 ?6 j, y$ D0 g- a% I& j/ m7 g! Q1 q8 r) I/ p0 Q( l7 b

& P) b( w( j3 |# h( n6 }1 ?* l                               
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* W9 x: ^1 s1 O5 P
                               
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7 Z$ N4 r# K; ?! S
这样,利用

- b: {3 S3 O" K- r                               
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8 z; n- w3 n2 [& w
                               
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就可以进行流函数的编程计算。
. t3 i& I! o9 a$ c
% W( D7 M* S  `- {$ B+ t8 R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。
1 t* M/ v. N! ]3 ^$ N
( ^/ O* P, Q( G8 k6 l3 y$ G# s
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lyl
活跃在2022-11-2
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