0.Formulation of the RANS equations [1]

不可压缩流体控制方程

\[\begin{array}{l l}
\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial w}{\partial z}=0 \cr
\frac{Du}{Dt}-fv=-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial x}+\frac{\partial }{\partial z} N_z \frac{\partial u}{\partial z} + N_h\Delta u \cr
\frac{Dv}{Dt}+fu=-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial y}+\frac{\partial }{\partial z} N_z \frac{\partial v}{\partial z} + N_h\Delta v \cr
\frac{Dw}{Dt}=-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial z}-g+\frac{\partial }{\partial z} N_z \frac{\partial w}{\partial z} + N_h\Delta w \cr
\end{array}\]

其中\(N_z\)为垂向涡粘系数,\(N_h\)为水平涡粘系数,分子粘性系数已忽略。

1.Boussinesq approximation

Boussinesq 近似假定密度在参考密度附近变化不大,即

\[\rho(\vec{x},t) = \rho_0 + \rho'(\vec{x},t)
\]

将控制方程内除了重力之外,所有密度替换为参考密度\(\rho_0\),即

\[\begin{array}{l l}
\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial w}{\partial z}=0 \cr
\rho_0\frac{Du}{Dt}-fv=-\frac{\partial p}{\partial x}+\rho_0(\frac{\partial }{\partial z} N_z \frac{\partial u}{\partial z} + N_h\Delta u) \cr
\rho_0\frac{Dv}{Dt}+fu=-\frac{\partial p}{\partial y}+\rho_0(\frac{\partial }{\partial z} N_z \frac{\partial v}{\partial z} + N_h\Delta v) \cr
\rho_0\frac{Dw}{Dt}=-\frac{\partial p}{\partial z}-\rho g+\rho_0(\frac{\partial }{\partial z} N_z \frac{\partial w}{\partial z} + N_h\Delta w) \cr
\end{array}\]

2.Hydrostic approximation

静压假定包括

  1. 忽略垂向粘性
  2. 忽略垂向加速度

此时,垂向方程变为

\[\frac{\partial p}{\partial z} = -\rho g
\]

注意,此时密度并非为参考密度,而是水体总密度。将动量方程沿垂向进行积分,得

\[p(x,y,z=z_0) = p_a(x,y) + \int_{z=z_0}^{\zeta(x,y)}\rho gdz
\]

\(p_a(x,y)\)为自由表面处大气压强。

将\(\rho(\vec{x},t) = \rho_0 + \rho'(\vec{x},t)\)代入方程,便可得到压力表达式

\[p(x,y,z=z_0) = p_a(x,y) + (-\rho_0gz_0 + \rho_0g\zeta(x,y) + \int_{z=z_0}^{\zeta(x,y)}\rho' gdz)
\]

其中三项分别为正压项,动压项与斜压项。其中\(\rho'(x,y,z,t)\)根据状态方程求得。

Appendix A.Mode Splitting [1]

内外模分离方法主要目的是解决海洋模拟中水平计算最大时间步和垂向计算时间步不匹配的问题。

为了模拟表面重力波,根据CFL准则,最大时间步应满足

\[T_h\le \frac{\Delta x}{\sqrt{2gH}}
\]

而垂向计算所需时间步仅需满足

\[T_z\le \frac{h_z^2}{2N_z}
\]

一般情况下,T_z大约为T_z的10倍以上(FVCOM中推荐取10)。

因此,内外模分离方法主要是解决海洋模拟问题计算过程中,水平尺度和垂直尺度计算时间步不匹配问题。

在水平模拟过程中,由于表面重力波在沿水深方向变化不大,因此可采用垂向积分方程

\[\begin{array}{l l}
\frac{\partial D\bar{u}}{\partial x} + \frac{\partial D\bar{v}}{\partial y} + \frac{\partial \zeta}{\partial t}=0 \cr
\frac{\partial \bar{u}}{\partial t}+A_x -fv=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partial p_a}{\partial x} -g \frac{\partial \zeta}{\partial x} -B_x + C_x+ N_h\Delta \bar{u} \cr
\frac{\partial \bar{v}}{\partial t}+A_y -fv=-\frac{1}{\rho_0}\frac{\partial p_a}{\partial y} -g \frac{\partial \zeta}{\partial y} -B_y + C_y + N_h\Delta \bar{v} \cr
\end{array}\]

其中\(D=H+\zeta\)为总水深。

求解内模时将各层流速时将速度分解为

\[u = \bar{u}+u' ,\quad v = \bar{v}+v'
\]

将原始动量方程与垂向积分动量方程作差,可得

\[\begin{array}{l l}
\frac{\partial u}{\partial x}+\frac{\partial v}{\partial y}+\frac{\partial w}{\partial z}=0 \cr
\frac{\partial u'}{\partial t}+ u \frac{\partial u}{\partial x} + v \frac{\partial u}{\partial y}+ w \frac{\partial u}{\partial z} - A_x -fv' = B_x - \frac{g}{\rho_0}\frac{\partial}{\partial x}\int_z^{\zeta}\rho'dz -C_x + N_h\Delta u' \cr
\frac{\partial v'}{\partial t}+ u \frac{\partial v}{\partial x} + v \frac{\partial v}{\partial y}+ w \frac{\partial v}{\partial z} - A_y +fu' = B_y - \frac{g}{\rho_0}\frac{\partial}{\partial y}\int_z^{\zeta}\rho'dz -C_x + N_h\Delta v' \cr
\end{array}\]

根据三个方程,便可求解各层水体流速\(u,v,w\)

Reference

[1] Kowalik Z, Murty T S. Numerical modeling of ocean dynamics[M]. World Scientific, 1993.

Boussinesq 近似及静压假定,内外模分离方法(附录A)的更多相关文章

  1. CTF中图片隐藏文件分离方法

    CTF中图片隐藏文件分离方法   0x01 分析 这里我们以图片为载体,给了这样的一样图片:2.jpg 首先我们需要对图片进行分析,这里我们需要用到kali里面的一个工具 binwalk ,想要了解这 ...

  2. AsyncTask内的各个方法调用顺序

    |- AsyncTask内的各个方法调用顺序:|- 首先,用户调用execute方法,启动AsyncTask .然后在execute方法中:|- 首先调用onPreExecute方法,执行初始化操作. ...

  3. [C#解惑] #1 在构造函数内调用虚方法

    谜题 在C#中,用virtual关键字修饰的方法(属性.事件)称为虚方法(属性.事件),表示该方法可以由派生类重写(override).虚方法是.NET中的重要概念,可以说在某种程度上,虚方法使得多态 ...

  4. 在String()构造器不存在的情况下自定义一个MyString()函数,实现如下内建String()方法和属性:

    在String()构造器不存在的情况下自定义一个MyString()函数,实现如下内建String()方法和属性: var s = new MyString("hello"); s ...

  5. Flex Array内置排序方法的使用

    在Array类中,提供内置的排序方法.排序是在软件开发的过程中,经常遇到的问题.通过这些内置的方法,可以快速轻便的进行排序操作. Array类提供sort方法对Array实例进行排序.sort方法没有 ...

  6. PHP文章关键词相似短尾长尾内链替换方法介绍

    对于互联网程序来说,对文字正文内容做关键词内链优化是常态的工作之一.一方面有人手动来处理关键词内链,这个效率太低:一方面通过程序自动添加内链,这样子也省事而且便于管理: 今天我们探讨的就是给自动给文章 ...

  7. day29 类中的内置函数方法 __str__ __repr__ __call__ isinstance() issubclass()

    __str__()__repr__()__len__() str() 转字符串repr() 让字符原形毕露的方法len() 计算长度 内置的方法很多,但是并不是全部都在object中,比如len(), ...

  8. python - 类的内置 attr 方法

    类的内置 attr 方法 #类的内置 attr 方法: # __getattr__ # __setattr__ # __delattr__ # __getattr__ #到调用一个类不存在数参数时,将 ...

  9. Python3内置字符串方法详解

    官网文档地址:https://docs.python.org/3/library/stdtypes.html#string-methods基于 Python 3.X 版本 str.capitalize ...

随机推荐

  1. js判断移动端浏览器类型,微信浏览器、支付宝小程序、微信小程序等

    起因 现在市场上各种跨平台开发方案百家争鸣各有千秋,个人认为最成熟的还是hybird方案,简单的说就是写H5各种嵌入,当然作为前端工程师最希望的也就是公司采用hybird方案当作技术路线. 所谓的hy ...

  2. 如何接入 K8s 持久化存储?K8s CSI 实现机制浅析

    作者 王成,腾讯云研发工程师,Kubernetes contributor,从事数据库产品容器化.资源管控等工作,关注 Kubernetes.Go.云原生领域. 概述 进入 K8s 的世界,会发现有很 ...

  3. 2020BUAA软工结伴项目作业

    2020BUAA软工结伴项目作业 17373010 杜博玮 项目 内容 这个作业属于哪个课程 2020春季计算机学院软件工程(罗杰 任健) 这个作业的要求在哪里 结伴项目作业 我在这个课程的目标是 学 ...

  4. Noip模拟53 2021.9.14

    T1 ZYB和售货机 首先这道题有两种做法. 一种是发现每个点都可以先被取到只剩一个,只要收益大于$0$ 然后发现建一个$i->f[i]$的图时出现环,要把它去掉, 那么跑一个$tarjan$枚 ...

  5. 2021.10.18考试总结[NOIP模拟76]

    T1 洛希极限 不难发现每个点肯定是被它上一行或上一列的点转移.可以预处理出每个点上一行,上一列最远的能转移到它的点,然后单调队列优化. 预处理稍显ex.可以用并查集维护一个链表,记录当前点之后第一个 ...

  6. AOP源码解析:AspectJExpressionPointcutAdvisor类

    先看看 AspectJExpressionPointcutAdvisor 的类图 再了解一下切点(Pointcut)表达式,它指定触发advice的方法,可以精确到返回参数,参数类型,方法名 1 pa ...

  7. 【TLS】-TLS/SSL笔记

    目录 前言 概念 对称加密 非对称加密 公钥 单向加密 数字签名 基础 作用 SSL/TLS 模型 运作 问题&解答 基本过程 握手阶段 客户端发出请求(ClientHello) 服务器回应( ...

  8. 好的编程习惯是减少bug最有效的方法

    公司来了几个新手,有时候很简单的一个功能模块都要耗费好几天时间,总是在一些不相关的问题上死耗一整天,搞出莫名其妙的问题,找不到具体原因,总是怀疑编译出问题了,系统出问题了,板子出问题了,搞到快下班了叫 ...

  9. django HTML 数据处理

    一.介绍 dgango  HTML 对 各种数据类型数据的调用展示 的个人工作总结 二.数据处理 1.元祖数据   t1 =('a','b','c',) 示例:    {{ t1.0 }}    {{ ...

  10. kubernetes常见日志采集问题和解决方案分析

    传统日志与kubernetes日志对比 传统服务 目录固定 重启不会丢失 不用关注标准与错误日志输出 容器服务 节点不固定 重启服务会漂移 需要关注标准与错误日志输出 日志文件重启会丢失 日志目录不固 ...