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

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

) o, i* x ~ T4 N# [8 J

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

' f2 a2 u- _$ P8 M% E* @' z

上述三个方程分别是动量方程的x、y、z分量形式

U: h) N9 U; _/ K

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

: Z; O1 L6 j! P! M+ {; q0 }

以下我将逐个解释各项含义

+ u8 I5 I% m. ]* N2 @) z; _$ n& [

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

# R6 w' @0 }4 Z

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

, t2 Y. T p% F$ M

重力不用过多分析，仅存在于z方向

$ R+ ]" ?, S( u2 e

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

1 t! _1 J5 I( V) O; D5 W

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

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

- K2 `- R9 R. g" B0 o# s$ Z

φ=latitude\varphi=latitude

近似计算

$ n! `4 E" u. ~9 p' m+ b

Fx=fvF_x=fv

" f, p, e8 y4 Z/ U. |

Fy=−fuF_y=-fu

ff 为科氏系数 f=2Ωsinφf=2\Omega sin\varphi

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）

5 n8 W/ j+ {( G, K0 S% E

E4 连续性方程

9 g7 e! P: t$ t2 ~+ f( H7 A

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

Eularian观点：定点处观察经过的流体质量变化

7 Z) \" q" N1 {6 ~" G+ Q

∂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

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

+ P, `' @( t3 b" Y6 w+ H: o1 l

E5-E6盐守恒、热守恒

7 m3 j5 |; H2 [/ C' c

E7 状态方程

6 f8 X( I, l( Q$ @9 r5 {

∂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

8 K R* K/ L* u9 l5 N3 h, c3 y+ X