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斯托克斯漂移及其不满。

Stokes drift and its discontents.

机构信息

School of Mathematics and Maxwell Institute for Mathematical Sciences, University of Edinburgh, Edinburgh EH9 3FD, UK.

Scripps Institution of Oceanography, University of California at San Diego, La Jolla, CA 92093-0213, USA.

出版信息

Philos Trans A Math Phys Eng Sci. 2022 Jun 13;380(2225):20210032. doi: 10.1098/rsta.2021.0032. Epub 2022 Apr 25.

DOI:10.1098/rsta.2021.0032
PMID:35465713
原文链接:https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC9035880/
Abstract

The Stokes velocity [Formula: see text], defined approximately by Stokes (1847, , , 441-455.), and exactly via the Generalized Lagrangian Mean, is divergent even in an incompressible fluid. We show that the Stokes velocity can be naturally decomposed into a solenoidal component, [Formula: see text], and a remainder that is small for waves with slowly varying amplitudes. We further show that [Formula: see text] arises as the sole Stokes velocity when the Lagrangian mean flow is suitably redefined to ensure its exact incompressibility. The construction is an application of Soward & Roberts's glm theory (2010, , , 45-72. (doi:10.1017/S0022112010002867)) which we specialize to surface gravity waves and implement effectively using a Lie series expansion. We further show that the corresponding Lagrangian-mean momentum equation is formally identical to the Craik-Leibovich (CL) equation with [Formula: see text] replacing [Formula: see text], and we discuss the form of the Stokes pumping associated with both [Formula: see text] and [Formula: see text]. This article is part of the theme issue 'Mathematical problems in physical fluid dynamics (part 1)'.

摘要

斯托克斯速度[公式:见文本],由斯托克斯(1847 年,,,441-455.)近似定义,并通过广义拉格朗日平均精确定义,即使在不可压缩流体中也是发散的。我们证明,斯托克斯速度可以自然地分解为无散分量[公式:见文本],以及一个对于振幅变化缓慢的波很小的剩余项。我们进一步证明,当合适地重新定义拉格朗日平均流以确保其精确不可压缩性时,[公式:见文本]是唯一的斯托克斯速度。该构造是 Soward 和 Roberts 的 glm 理论(2010 年,,,45-72. (doi:10.1017/S0022112010002867))的应用,我们将其专门应用于表面重力波,并使用 Lie 级数展开有效地实现了它。我们进一步证明,相应的拉格朗日平均动量方程与具有[公式:见文本]代替[公式:见文本]的 Craik-Leibovich (CL)方程在形式上是相同的,并且我们讨论了与[公式:见文本]和[公式:见文本]相关的斯托克斯泵送的形式。本文是主题为“物理流体动力学中的数学问题(第 1 部分)”的一部分。

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