Re: [討論] 布希內斯克近似 Boussinesq Approximatio

作者: lavifoxbat (花次郎)   2014-10-25 12:27:50
還是回一篇好了。
既然叫approximation,必定有所簡化。
如果簡化的太過分,譬如說數學考試要你推導,你導出0=0,
0=0肯定是對的,只是你的成績也會是0。
Boussinesq想引進"密度=定值"這個假設來簡化Navior-Stokes Eq,
問題是這會過度簡化方程,以致於無法描述自然現象,
或用另一種說法:得到的解會很無趣。
(還有一個理由是:這麼想當然的假設早就被研究過了,Boussinesq生的太晚了。)
接下來對於Boussinesq Approximation的詮釋是我個人的看法,
其他人可能會有其它說法。
不過既然方程式就在那,每個看懂的人都可以提自己的解釋,
更棒的是這些解釋可能並不互斥。
Boussinesq體認到:(在地球上)水平方向上的密度變化造成的影響不大。
更正確的說法應該是地球的重力太強了,
強到只要水平方向有密度變化,流體就會自行調整,
這種調整總是傾向於把差異弭平。
(嚴格來說是壓力變化,但在大氣中的壓力和密度,溫度有關,
我想用密度來說明大概無傷大雅。
現實的大氣或海洋中,還需要考慮potential temperature,
含水量,或鹽分,那又是另外好幾個故事了。)
舉個例子,桌面上倒水,水會散開而不是聚在一起,
水太多的話還會流到地上,
這是因為重力,或者說水本身的重量不允許它們聚在一起。
畢竟流體和剛體不同,分子間沒有結構,只要有力作用就會流動(所以才叫流體)。
桌上的水太少的時候,水可能就停在桌面上,
這時候可以觀察到在水的邊緣有水平的密度變化(白話:有水和沒水),
這種情況下水的重量太小,和本身的內聚力達成平衡。
但這種平衡在大尺度時根本不可能達成。
這種調整是由水平的pressure gradient force造成,但pressure源自於重力。
因為有重力的存在,
所有水平方向上的差異總是會在很短的時間內被調整成平衡。
(我彷彿能聽到有人在耳邊強調pressure和重力有多麼的不同,
其中一個證據是重力有方向性而pressure沒有,
不過任何人都不能否認某處的pressure和其上方的流體的重量是相等的。)
但是但是但是,也因為重力太強了,
些微的密度差異在垂直方向上可能會造成很強的力。
所以Boussinesq提出在z方向的方程中保留密度變化。
It turns out to be pretty good。
別的不說,我們很輕鬆就能導出浮力項。
說的遠一點,在討論密度不均勻的環境中的內波(internal wave)時,
reduced gravity的表示式和浮力項如出一轍。
結論:Boussinesq Approximation能把方程式大幅度簡化,同時卻又能保留很多物理。
題外話。
我有兩個老闆,
這禮拜其中一個老闆帶我讀另一個老闆在2008寫的paper。
Paper裡藉由計算一個(假想的)氣塊上升時受到的浮力來討論深對流形成的可能性。
計算浮力的公式和Boussinesq導出的浮力項是相同的是相同的。
從Boussinesq Approximation問世以來大概超過一百年了,
大氣學界的想法,至少在概念上,卻沒甚麼太大的改變,
這大概從側面說明Boussinesq的想法有多天才。

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