河口动力学基本概念分析..doc

第三章 河口动力学基本概念和基本方程 目 录 §3.1 基本定律 §3.2 力和运动的分类 §3.2.1 力的分类 1.原生力(pvimary force)和次生力(Secondary) 2.体积力(body force)和表面力(boundary force) §3.2.2 运动学分类 1. 运动学分类(Kinematic) 2. 动力学分类(Dynamic) 3. 尺度分类 §3.3 基本方程 §3.3.1 连续方程 1. 瞬时形式(instantaneous form) 2. 平均形式(averaged form) §3.3.2 盐分平衡方程 1. 瞬时 2. 平均 §3.3.3 运动方程 1. Navie-Stocks equation 2. Reynolds equation §3.3.4 涡度与涡动方程 §3.3.5 涡动系数之区别 §3.1 基本定律 在研究河口动力学时，如下的物理学基本定律被看成是公理。 (1) 质量守恒 (2) 能量守恒 (3) 牛顿第一运动定律：如果作用于物体上的合力为零，则该物体的运动不发生变化。 (4) 牛顿第二运动定律：一个物体动量的变化率与作用于该物体上的合力成正比。而且变化的方向与合力作用方向相同。即F＝ma，其中F为合力，m为度量，a为加速度。 (5) 牛顿第三运动定律 　　(6) 牛顿万有引力定律 　　严格说，前两个定律是统一相互联系的。在河口海岸学中，我们不关心质量与能量的转换问题，因此把这两个公理分开是方便的。质量守恒定律在河口动力学中通常以连续方程的形式出现。 　　有两种类型的能量在河口海洋物理学中是重要的，一是热能，另一种是机械能。在描述性海洋学中，温度是大洋水的重要性质之一。当讨论温度分布时，需要考虑热量守恒或热收支平衡。当处理波动问题时，我们要考虑机械能守恒。机械能向热能转换则被看成是机械能的损失过程，但在本课程中不拟详细讨论。 　　河口动力学研究作用于海水上的力和所产生的运动。在某些情况下，海水是在一组相互平衡的力的作用下而运动，此时合力为零，这是牛顿第一定律描述的情况。如果合力不为零，则河口水体具有加速度，合力与加速度之间的关系由牛顿第二定律描述。 　　在决定流体静压分布和因海水密度发生变化而引起的运动时，万有引力定律是重要的。 §3.2 力和运动的分类 　　作用于河口水体的力可以分为两类：产生运动的原始力和由运动产生的次生力。原始力包括(1)地球引力(它可引起应力)和太阳、月球引力；(2)风应力，此应力可以与海面相切(摩擦力)，也可与海面垂直(压力),(3)大气压力。 当水体开始运动以后，次生力便存在。它们包括(1)科氏力，它是我们相对于旋转的地球观测物体运动时，作用于运动水体上的一种力。(2)摩擦力，它是作用于流体边界上并阻止流体运动的力，或者是作用于流体的内部，使流体运动趋于均匀的力。摩擦使流体运动的机械能耗散，并把动能转化成热能。 从另一角度看，作用在流体上的总是分布力。可以分为质量力(body force)质量力作用在流体的每个质点上，其大小与流体的质量成正比。对于均质流体，质量力的大小与受作用的流体的体积V成正比。所以称为体积力。上述的引力、科氏力都是体积力。此外惯性力也是体积力。惯性力通常是由于流体作直线加速运动或由线运动而产生的，如离心力。单位质量的质量力称为单位质量力。 表面力是作用在所取分离体的表面上的力并与受作用的流体的表面积成比例。表面力可分作用在分离体表面的法向力(通常称压力)和切向力(通常称摩擦力)。单位面积上的法向力称为压应力，简称压强。单位面积上的切向力称为切应力或摩擦应力。 流体运动分类的方法有多种。首先可以按流体运动学性质分类。运动学是指流体动力学中的一部分内容，凡是研究流体运动时不涉及力的都属于这一范畴。按照运动学性质分类时，可以把流体的运动分为无幅散运动(流体是不可压缩的),无旋运动(涡度为零),无变形运动(如同固体一样)等等。 河口区水流运动按运动与动力的关系可以有如下类型：(1)热盐运动，在有限的水域内，水体密度有变化时，（河口区是海洋中水体密度变化幅度最大的地区）。重力作用的差别将产生相对运动。密度变化的原因在河口地区主要是由于盐度，其次是温度的变化引起