海洋动力学 -什么叫海洋动力舰

本文意在介绍发生在海洋中的动力过程的方程组，阅读本文需要基本的牛顿力学知识即可

动量方程E1-E3

8 {2 q) N0 g( P

E1:∂u/∂t+u∂u/∂x+v∂u/∂y+w∂u/∂z=−1/ρ⋅∂p/∂x+fv+υΔu+∂(AH∂u/∂x)/∂x+∂(AH∂u/∂y)/∂y+∂(Az∂u/∂z)/∂z+FxE1:\partial u/\partial t+u\partial u/\partial x+v\partial u/\partial y+w\partial u/\partial z=-1/\rho\cdot\partial p/\partial x+fv+\upsilon\Delta u+\partial (A_H \partial u/\partial x)/\partial x+\partial (A_H \partial u/\partial y)/\partial y+\partial (A_z \partial u/\partial z)/\partial z+F_x

E2:∂v/∂t+u∂v/∂x+v∂v/∂y+w∂v/∂z=−1/ρ⋅∂p/∂y−fu+υΔv+∂(AH∂v/∂x)/∂x+∂(AH∂v/∂y)/∂y+∂(Az∂v/∂z)/∂z+FyE2:\partial v/\partial t+u\partial v/\partial x+v\partial v/\partial y+w\partial v/\partial z=-1/\rho\cdot\partial p/\partial y-fu+\upsilon\Delta v+\partial (A_H \partial v/\partial x)/\partial x+\partial (A_H \partial v/\partial y)/\partial y+\partial (A_z \partial v/\partial z)/\partial z+F_y

E3:∂w/∂t+u∂w/∂x+v∂w/∂y+w∂w/∂z=g−1/ρ⋅∂p/∂z+υΔw+∂(AH∂w/∂x)/∂x+∂(AH∂w/∂y)/∂y+∂(Az∂w/∂z)/∂z+FzE3:\partial w/\partial t+u\partial w/\partial x+v\partial w/\partial y+w\partial w/\partial z=g-1/\rho\cdot\partial p/\partial z+\upsilon\Delta w+\partial (A_H \partial w/\partial x)/\partial x+\partial (A_H \partial w/\partial y)/\partial y+\partial (A_z \partial w/\partial z)/\partial z+F_z

上述三个方程分别是动量方程的x、y、z分量形式

8 t6 Z& P; N- c1 q$ L( \# P: F) z& S

也可以写成矢量形式：

dV¯/dt=g−1/ρ⋅(hamilton)P+Ω×V¯+υΔ(hamilton)barV+Ft+Frd\bar{V}/dt=g-1/\rho\cdot(hamilton)P+\Omega \times \bar{V}+\upsilon\Delta(hamilton)bar{V}+F_t+F_r

以下我将逐个解释各项含义

等式左边为速度对时间的全导数，以E1为例，u为速度的x方向分量，u是（x,y,z,t)的函数

. g! D6 N3 a% M8 J7 j

等式右边包括重力、压强梯度力、科氏力、黏性力、湍应力、天体引潮力

1 q. I, \. V5 O

重力不用过多分析，仅存在于z方向

5 ~7 I* d: Y+ c+ ~4 J# r

压强梯度力：x方向为例，

a=F/m=(p−(p+δp))⋅δyδz/ρ⋅δxδyδz=−1/ρ⋅∂p/∂xa=F/m=(p-(p+\delta p))\cdot\delta y\delta z/\rho\cdot \delta x\delta y\delta z=-1/\rho\cdot \partial p/\partial x

科氏力： F=−2Ω×VF=-2\Omega\times V

) t' \6 A; O) }

Ω=2π/day=7.27÷105m/s\Omega=2\pi/day =7.27\div10^5 m/s

! L" ? c1 ~% z# @9 s. J2 A

Ω(0,Ωcosφ,Ωsinφ)\Omega (0,\Omega cos\varphi,\Omega sin\varphi)

3 t5 {3 W* F! ~: Z1 f" K* a

φ=latitude\varphi=latitude

: D( o( r) [# ?: V% H4 X+ _

近似计算

Fx=fvF_x=fv

Fy=−fuF_y=-fu

ff 为科氏系数 f=2Ωsinφf=2\Omega sin\varphi

% W- j; N3 c& ]5 E

黏性力为黏合系数与梯度的乘积，湍应力由湍流的脉冲造成的，天体引潮力过于复杂（与日月等天体有关，暂不介绍）

2 h% ^4 M% ]& n6 C" x7 Y

E4 连续性方程

5 y4 }+ ]! j4 _9 g) u

∂u/∂x+∂v/∂y+∂w/∂z=0\partial u/\partial x+\partial v/\partial y+\partial w/\partial z=0

! f4 O6 [3 L! N0 Z2 \' s

Eularian观点：定点处观察经过的流体质量变化

∂ρ/∂t+(∂(ρu)∂x+∂(ρv)/∂y+∂(ρw)/∂z=0\partial \rho/\partial t+(\partial(\rho u)\partial x+\partial(\rho v)/\partial y+\partial (\rho w)/\partial z=0

+ V8 b* N# N" X* S9 I8 K

转化为Lagrange观点：跟踪流体微团

1/ρDρ/Dt+(∂u/∂x+∂v/∂y+∂w/∂z)=01/\rho D\rho /Dt +(\partial u/\partial x+\partial v/\partial y+\partial w/\partial z)=0

E5-E6盐守恒、热守恒

E7 状态方程

/ R6 f/ }- V3 e

∂s/∂t+u∂s/∂x+v∂s/∂y+w∂s/∂z=kDΔs+∂(kH∂s/∂x)/∂x+∂(kH∂s/∂y)/∂y+∂(kH∂s/∂z)/∂z\partial s/\partial t+u\partial s/\partial x+v\partial s/\partial y+w\partial s/\partial z=k_D\Delta s+\partial(k_H \partial s/ \partial x)/\partial x+\partial(k_H \partial s/ \partial y)/\partial y+\partial(k_H \partial s/ \partial z)/\partial z

+ B# j2 G5 ?% }7 s- c7 R, ^ 2 p$ h5 _# d B( C+ X * m# O! m* f/ G5 v! c