2. Уравнения геофизической гидродинамики.
2.1. Уравнения в инерциальной системе координат.
В основе геофизической
гидродинамики лежит предположение о применимости уравнений непрерывной жидкости.
Ограничимся эйлеровым описанием движения, при котором динамические переменные
рассматриваются как функции вектора положения и времени
. При описании движения будем использовать
такие динамические переменные, как вектор скорости
,
давление
, плотность
, а
также термодинамические переменные: температуру
,
внутреннюю энергию на единицу массы
, удельную энтропию
.
В этом разделе сформулируем уравнения движения в невращающейся, или инерциальной, системе отсчета, когда наблюдатель находится вне вращающегося тела, на котором находится жидкость.
Пусть на некоторый произвольный
объем жидкости , ограниченный поверхностью
, действует давление
, тогда по формуле Гаусса-Остроградского
полная сила, действующая на объем,
,
где - единичный вектор внешней
нормали,
- оператор градиента. По второму закону
Ньютона
,
где -
внутренняя сила (молекулярная вязкость),
-
потенциал, которым описываются внешние силы, (например, сила тяжести, приливные
потенциалы), а
- полная (индивидуальная)
производная скорости , определяемая ускорение частицы формулой
,
Тогда, учитывая произвольность объема , получаем дифференциальный закон движения
. (2.1)
Для ньютоновских жидкостей таких, как вода
и воздух, , где
-
оператор Лапласа,
- коэффициент внутренней
молекулярной вязкости.
Если в жидкой среде
отсутствуют источники или стоки массы, то закон сохранения массы для жидкого
объема имеет вид
В дифференциальном виде закон сохранения массы записывается в виде уравнения неразрывности
,
которое можно переписать в виде
или
(2.2)
В случае присутствия тепловых процессов уравнения для импульсов и уравнение неразрывности представляют собой незамкнутую систему. Поэтому для замыкания системы дополнительно рассматривается первый закон термодинамики
, (2.3)
где -
внутренняя энергия на единицу массы,
- температура,
- скорость притока тепла от внешних
источников на единицу массы,
- коэффициент
теплопроводности, , величина
связана с изменением
внутренней энергии системы в зависимости от изменений величины удельного объема.
В уравнении (2.3) был отброшен член притока тепла из-за вязкой диссипации,
вследствие его малости для исследуемых процессов.
Далее введем термодинамическую
функцию - удельную энтропию, связанную с другими
функциями состояния соотношением
.
В результате (2.3) можно переписать в виде
. (2.4)
Для замыкания системы уравнений необходимы дополнительные термодинамические соотношения - уравнения состояния
,
принимая во внимание которые, уравнение (2.4) можно переписать в форме
, (2.5)
где - удельная теплоемкость при постоянном давлении.
Далее, используем термодинамическое соотношение
,
где -
коэффициент термического расширения. Тогда (2.5) перепишется в виде
. (2.6)
Рассмотрим уравнения притока тепла в конкретных средах.
1. Атмосфера.
Уравнение состояния сухого
воздуха хорошо описывается уравнением идеального газа ,
где
- газовая постоянная сухого воздуха. После
подстановки удельной энтропии идеального газа
и
коэффициента термического расширения
уравнение
(2.6) принимает вид
, (2.7)
где - потенциальная температура (температура,
которую приобретала бы частица с температурой
,
адиабатически перенесенная из точки с давлением
в точку
с давлением
- постоянное отсчетное давление.
Приближенная формула для вычисления потенциальной температуры имеет вид
2. Океан.
Для воды, в которой эффекты сжимаемости незначительны, применимо простое уравнение состояния в приближении Буссинеска
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.