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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
+ n6 J, q, H8 b. r2 d4 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:# L$ }# ]7 G4 j. K$ `

2 Z/ \# ?" f& a5 h# p7 X! f9 J2 U+ c7 g1 N) y7 w% C
3 ?6 D$ w9 |# `1 R9 q* z
                               
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2 W5 o9 b8 g6 Y8 Q& s
                               
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2 X0 R6 a% Y+ g& F
/ h7 x3 t4 O" i$ v0 `

7 Z( Z3 ^) i9 R% }) b                               
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( X; ^5 J- }7 _. Z9 q                               
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0 l: p9 j+ O; e( E& ~- I
这样二维平面上的连续方程就能自动满足。
7 P, q# e7 F. F9 K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 F2 ?/ Y+ g" `" ?, f4 b5 r                               
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" y) K! d; B2 c1 j2 m; f                               
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方向和

3 g4 h& n0 ]# T) v/ i: A                               
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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
, K0 p6 e- I* u$ T
                               
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9 ]6 N7 l) i0 ~
实际就是求积分),我们可以设:
( l$ H& q8 D. F$ s8 C$ S
! h5 S) l1 `8 x' M/ C! ?6 N% l. t' N
! }' A0 a6 `2 Z3 K
                               
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" Z  H$ H; Q: E; o从这个点积分到任一点

: ~1 ~  \+ ?; x) P8 T3 w! F                               
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。首先,
6 q5 y$ y2 ^3 q. t: }
                               
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对y积分,有:4 ]$ X# }/ r* p- N

$ ?* s, @' x3 S. G1 [4 u" @' Z6 b- C2 M
5 F9 a& a- h( w. l9 I$ [! B
                               
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* I; @; U9 R: h1 O! @5 J
                               
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' k2 ^0 Y) J- z1 r                               
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3 Y* k7 z4 V$ ?, H/ w6 L9 I. K
                               
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积分,有:
8 C3 ~# N; v3 _& X6 b

$ Z; o& `4 U# J0 B" n
0 T! d2 e3 j# g( z, e5 |
                               
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  A/ v5 B8 W0 X5 |: m* {
                               
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% l$ a% K2 {: N左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即: " r( i5 R. t. d8 q, j: B
0 W7 `1 t8 p) m
                               
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# A6 X( M6 P* P8 v0 D% o* @
现在只需要求出

/ R) U, _2 x0 ~, i6 @( P& E0 q                               
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,就能求出我们需要的

& r. @) k$ ~& x. P                               
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。通过观察发现,在

6 ?5 _3 u% X- e0 V7 j                               
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中令

) M+ L/ `0 f  Q                               
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即可得到我们想要的结果:
7 F1 r/ r2 m$ q/ G5 x! k1 [, u) s* x- s( H5 A9 i
! \/ A" B' N! ]) z+ e

( f+ J9 Y0 Z  c/ F4 Y% @                               
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" |2 @4 r, y% l
最终有:
; O1 {! N, L) `# B
* f3 z+ X8 U9 Z* r( ^
1 _4 J0 w, `! m( A# T
                               
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, D/ A! L9 z: L                               
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% O; e. `& b! n" M0 }$ H/ _或者可在
; I9 q- o9 O( a% p3 S
                               
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中令
. ?2 V0 ]  ?% {3 {8 A
                               
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代入

" B  b: r! l" \                               
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,有:
- \$ y. @* I, }* H4 B9 u& L9 [/ h, s& C& E/ [9 \

3 E$ y) d# l4 A1 N: g: E

6 D" J( ?/ R" A: Y4 c* t                               
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+ O% y2 [9 @5 i  U0 W$ n) n$ O
                               
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: Q* }# E# d0 n) e* v! B这样,利用
. M+ o7 `+ j( t! C$ H% H1 B! W' |" ]4 r
                               
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0 D/ Y8 |0 w8 ]# G                               
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就可以进行流函数的编程计算。9 i7 Z+ J9 g( f9 ?- g5 i, r

. r. h+ |, e1 p) X# j+ [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。
  n8 V0 d1 E+ B. F
  Q" J) ?4 ]* D* A# l+ g/ g) K- W, ^
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lyl
活跃在2022-11-2
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