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有限弗劳德数稳定分层流的低Rossby极限动力学。 (英语) Zbl 1241.76433号

摘要:在本文中,我们研究了具有周期边界条件的旋转和分层Boussinesq方程在分层为1阶([Rossby数]\(Ro=\epsilon\),[Froude数]\(Fr=O(1)\),as \(\epsilon\rightarrow0\)时的强旋转极限。使用相同的框架P.F.镶嵌A.J.马伊达[Geophys.Astrophys.Fluid Dyn.87,1–50(1998)],我们表明慢动力学与快动力学解耦。此外,我们还导出了慢动力学方程及其守恒定律。水平动量方程简化为二维Navier-Stokes方程。垂直平均垂直速度的方程式包括一个因浮力垂直平均而产生的项。浮力方程是唯一保持其三维性的变量,由所有三个二维低速分量平流。慢动力学的守恒定律包括二维Navier-Stokes方程的守恒律和描述垂直动能和浮力之间动力学的新守恒量。前导序势能拟能缓慢,而前导序总能量同时保持快动力学和慢动力学。我们还对旋转Boussinesq方程进行了强制数值模拟,以证明该理论在极限Ro(右箭头0)中的三个方面的支持:(i)我们发现在存在(O(1)弗劳德数的情况下,大规模柱状Taylor-Proudman流的形成和持续存在;在一个自旋上升时间后,(ii)慢总能量与总能量的比值接近一个常数,在最小的Rossby数下,常数接近1;(iii)慢势能能与总势能能的比值也接近一个常量,而在最小的Rosby数时,常数为1。数值模拟结果表明,即使在存在低波数白噪声的情况下,动力学也表现出理论特征。

MSC公司:

76U05型 旋转流体的一般理论
76D50型 粘性流体中的分层效应
86A05型 水文学、水文学、海洋学
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