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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
' |0 x1 L, a1 p- B2 \0 A5 A
                               
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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:
8 z7 K8 I; J2 S4 h' Z2 k  ]) G1 m" {) v$ F6 O) w, _0 z9 |

2 F# s, t2 U" O  Q- U
) ?2 E* Q0 T, D7 h, h
                               
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2 z/ X, @- w0 y: i, |
                               
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1 \8 ]+ P7 ^2 F- D* _: ^; Z* I6 |
  a6 V  p4 _! e8 Z8 x; j
. q0 O/ V; N- `( `# U
                               
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& b& T) y6 s( c- b% }7 C                               
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& y! q+ I3 C6 W: ]0 j: G这样二维平面上的连续方程就能自动满足。& \( ?, _) J9 l9 e
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

  z0 }) \2 Q3 i. g8 N/ j7 p, b                               
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: g- I# f7 g' h, `9 K1 ^7 @
                               
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方向和
2 d+ F, c( P. L
                               
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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
1 Y) a2 E% _5 ]* t
                               
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8 E: _& b- e1 k) M/ c$ @
实际就是求积分),我们可以设:

5 m! |, g4 }" T' O3 b2 n- j2 D5 T) y5 B! {9 a

: W2 v" G/ ]# h( K6 e  ?+ U                               
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8 r- \! s$ n5 N* b, x- k从这个点积分到任一点

! ^; h/ E! q; T) E$ t# S) v                               
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。首先,

7 j6 G: i4 x* a                               
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对y积分,有:' [1 ?$ U4 q% D
/ t6 C& \7 J7 G2 d& k$ u6 B
5 p  c3 x0 I; d4 z$ x) f5 c# d
) Z+ m* ~, [2 y' `
                               
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# k0 \: ]5 d) {! K9 m
                               
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6 Q& n9 x) a- I
                               
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0 q" @# {, `7 V, h                               
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积分,有:

" q4 G' i2 x/ t$ ^1 I
$ @' N  a9 S0 t3 i( U. w  b
) ^6 P3 O, _2 f' X
                               
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4 }4 K, k% [+ N8 Z9 A' `
                               
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& e6 O' m+ e. {5 b" z2 E
左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即:
5 X# H! p' [$ M* ~

; k0 z! H9 T) a% D! B, ^' B  q                               
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/ Y/ y/ |" O3 y0 n! b9 f9 q现在只需要求出

. M" j) \0 g9 L' M                               
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,就能求出我们需要的
1 f7 h8 W! ^) t) s7 s7 U7 g; e
                               
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。通过观察发现,在
; _7 `& L9 X! L, z( e
                               
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中令

" Q1 a$ l+ p5 n, \                               
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即可得到我们想要的结果:/ R/ e; E$ ?) N; B2 E0 J/ ]

; p+ m; ?- j* l' w
! ^2 x* X. v. `; B

. x8 e. z' k1 X3 x4 G                               
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' U& a5 X1 N0 {4 E1 [最终有:
/ r1 l5 _: S( ]; I% Z' n3 w: |8 \( G

6 t  U. k( H, Q  ~' `                               
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8 K' k; C( {9 k
                               
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/ ^) K+ y5 b; L3 u- t- \3 U! C或者可在
( q5 ^$ V$ m. D1 |* r( P/ j3 C/ c
                               
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中令

2 s) j" G: T7 Y' m                               
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代入
( E! y) v8 U8 P: ~
                               
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,有:  @" S& O, N" Z' E6 L( f

8 r3 b" Q/ x0 h& P
6 z/ ~' ~4 z% J* {# \
/ R& q6 x& N% Y; x
                               
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6 o* G2 W: p- v' D+ @! a                               
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  i4 y- x! a. V: V' R
这样,利用

* L7 g# z; ]: x6 C( _                               
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' y' F+ z8 t+ n# u( B
                               
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就可以进行流函数的编程计算。
$ L2 a: C# d  D0 y( w
, h* c: g7 j# @8 d: S. Q1 Q% T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。* F) w- X0 L; {2 R. q) h

3 P0 }( ^; A- e% \0 j1 y
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lyl
活跃在2022-11-2
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