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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
( C! T, j9 O/ v. U+ q) n: m
                               
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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:
  y" E* L$ b8 a# i
! v8 K$ f+ f! j* y$ |3 B/ V, }2 k% r4 C' o$ |

; q; H' ]8 A" O& h2 O) h                               
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/ r. U" B+ Q; j5 V' P+ y3 \
                               
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) A, I) ^0 K5 K! h, M3 t
' ?  N. Q0 T9 ^2 i8 W$ q- N  E

9 e" Q8 `! _; h  a2 r                               
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6 B, v! S, l! b+ Z, M0 P3 H
                               
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* N% f% j& O3 k! T& _" l* K
这样二维平面上的连续方程就能自动满足。  \0 C+ T/ p  B3 ?4 {$ f4 I7 F
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
+ ]% d- a( f; h9 }  @4 C
                               
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0 Y( G! |! ]3 F7 e
                               
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方向和
& o% w8 U9 t! X; L" z
                               
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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

5 Z, ~3 O6 s7 C6 _! V                               
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$ l& E9 Z- N: y# P% [3 H
实际就是求积分),我们可以设:
" \" K- q* Q7 H( f0 c& {9 J0 Z# N
' o* D  r/ y* U* R, q4 d; b1 j

9 R, X( q1 m$ K2 x, |2 E( g                               
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7 z9 O  x* c0 u" t% H从这个点积分到任一点

0 i) X/ r. c3 {  D                               
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。首先,

2 K4 R, N9 }2 E1 H+ H$ y4 C                               
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对y积分,有:
; u& w6 E+ \$ B5 a# Y  E7 X" ~* |8 C  h) A2 o$ d
/ h. z0 _  [. c4 o
& |6 u& p+ q$ H' Y
                               
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8 a6 h' n; Z. E) m& {2 x- \
                               
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( K+ X4 X8 x$ _0 n                               
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# Y  x* b6 ~$ y8 W                               
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积分,有:
; n0 P# I* r7 [- x

2 I+ L0 J/ b( R0 H* n5 `( S
+ ^9 h2 F8 O" u6 n" i* z  C
                               
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) O2 `6 H3 G- Y- M0 z  a
                               
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  X: _. v, _! g  _* g
左边的积分式子,可以直接根据速度场求解,即: ! U  E8 X# b4 o" b4 [& _& h/ ~

& P7 G) d7 K; g% m2 I2 @+ f6 I9 S                               
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$ D( ]9 v9 S' |& ^
现在只需要求出
+ P7 s0 M) ?1 O: A: L+ x, `# j! t6 }. ~
                               
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,就能求出我们需要的

/ F+ H- T3 a6 W0 n                               
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。通过观察发现,在

2 t( \& p# X# z  {                               
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中令

1 p8 |- d+ r! ?                               
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即可得到我们想要的结果:
0 _4 s  g7 \  G" m0 S0 N3 b6 U1 z
! b  z& \& n/ w) N' V9 c
& j1 X$ n9 ?1 f5 h. X/ L
+ D( _3 c3 ?  m# o9 y# `; K+ |
                               
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: m5 v/ M0 p" L
最终有:
$ j: p0 l7 L* M2 ~' f1 E+ x/ U  m! w" }0 `, p
9 I) ]! T- \. D
                               
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2 p2 O: `; v9 F5 n/ A) S( b
                               
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: g1 h/ }- t. H% \! x. d或者可在
( r. z! h6 s5 a4 n& l
                               
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中令
5 T4 o$ E' O; |* ]/ E% S
                               
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代入
$ M2 I+ x% ^7 R; B
                               
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,有:
: R  \1 b2 V/ d" `! C3 O: S% I: P. h3 m- ?" I2 M# s
; D3 o: i" \( j) ^: v9 c9 T  b
2 J' i' C+ w/ n6 y
                               
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* c& y0 M+ ^5 k7 ]2 @
                               
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: k3 }" o1 {$ [1 E, e  o( E$ i这样,利用

& O- O4 }! W1 D, Z4 K% r                               
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5 K' D/ B! C3 v4 @1 _& p
                               
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就可以进行流函数的编程计算。
  @9 v' c: M+ Q, h' b; e5 R$ Z! O) r: N% c2 l, e3 y9 [
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。& s( u  m) P7 _% N
7 P$ ^9 J. v  r9 b) L& p/ _* N
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lyl
活跃在2022-11-2
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