谢皮罗现象与科氏力

水寿松

这期的《“力学动态”文摘，第12卷，第1期，2010年10月10日》，下载链接见：http://www.cfluid.com/bbs/viewthread.php?tid=75875

在文章《傅科摆的故事》提到了“谢皮罗现象”，里面说“1962年.谢皮罗在《科学》杂志发表论文,认为水漩涡与地球自转有关,如果地球停止自转的话.拔掉澡盆的塞子,水不会产生漩涡.由于地球时自西向东不停地旋转,而美国又处于北半球,所以洗澡水总时逆时针方向旋转。,谢皮罗断言.如果在南半球,则恰好相反.洗澡水将会按顺时针形成漩涡.在赤道则不会形成漩涡。谢皮罗的论文发表后，引起各国科学家的莫大兴趣，纷纷在各地进行试验,结果证明谢皮罗的论断完全正确。这一现象被命名为谢皮罗现象。”

我记得论坛上曾经讨论过这个问题，和科氏力有关的，结论也不这么自然成立，不知哪位同仁还记得？

通流

看看这里
其实，就是角动量守恒。用科氏力，可以更仔细的研究整个过程。不过，对于认识这个现象没有什么帮助。

我倒没有听说过人们管这个叫Shapiro现象。

水寿松

原帖由 通流 于 2010-10-9 20:48 发表

                               
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看看这里
其实，就是角动量守恒。用科氏力，可以更仔细的研究整个过程。不过，对于认识这个现象没有什么帮助。

我倒没有听说过人们管这个叫Shapiro现象。

那个帖子27楼ustcsunl的回答，我有点印象了，应该是一位父亲被女儿问脸盆下水时漩涡的方向问倒了，跑到流体中文网或是动力论坛求助来了，于是口水战横飞，一帮子混论坛的也倒了，然后coolboy的转帖作为“终结者”的形象露脸了！！

囧！我确实也是第一次听说叫“谢皮罗现象”的！

顺便为今晚的事向你告个罪，呵嘿嘿O(∩_∩)O

周华

下次还有机会聚会，等大水毕业后我们再聚还可以庆祝一下，呵呵！

类似于水盆涡还有一个贸易风也跟地球自转有关，不知各位是否注意过。

通流

地球大气中的气流运动还真是很复杂。不同的维度和高度，情况都不同。我是没有搞清楚到底怎么来理解这些。有没有这方面的专家给大家来个科普。

周华

贸易风在有一些流体力学的教科书中有介绍，最近看一份杂志中提到才又想起来。大体上说贸易风由地球自转和垂直方向的热对流构成。在赤道附近大气受热上升，然后在地球自转的作用下在上升的同时发生旋转，在中纬度地区遇冷下降，整体上构成一个涡环，或者叫大气环流。在更高纬度上还有另外的稍小一些的环流。贸易风由于在海面上形成相对稳定的风向，所以过去在航海时代曾经是推动风帆做运输的主要能量来源，现在则利用高空的气流做航线，据说可以省很多油。

上个示意图：

通流

那么，在维度30°和60°处，是怎么回事？为什么？

uesoft

用Fluent建立一个地球大气模型，应该很容易说明问题。
热源：太阳辐射。
地球自转与公转：我不知道在Fluent里怎么设置，但对于Fluent高手应该是小菜一碟。
大陆：面积，厚度，导热系数。
大气：面积，对流层高度，比热，导热系数，压力，温度，可按理想气体。
海洋：面积，厚度，水导热系数，反射。
相信大气环流专业的研究人员都有这个Fluent模型。现在的天气预报这么准确，估计中央气象台的研究人员把亚洲区域在Fluent模型的边界、初始条件、网格都设置得非常精细准确了。

Fluent数字地球模型的作用
把数字地球几何模型输入到Fluent中，再加上大气模型，可以获得许多有意义的仿真和预测结果：
1，预测每年有多少太阳能转换为风能和水能，从而指导风能调查，以及提前作出电力调度规划。
2，加入太阳模型，预测太阳气候变化造成的地球的水灾、旱灾，及时做好防灾减灾工作。预测粮食作物增收、歉收情况。
3，加入月球、行星模型，预测行星对地球气候变化造成的各种扰动，及时做好防灾减灾工作。
总之，Fluent地球模型对人类生态环境与能量的预测具有很大的作用，应该由各国研究人员建立一个共享的Fluent地球模型，以便预测全球风能、水能变化。另外，最好能把全球风能、水能联网，这样就可以充分利用南北半球能源季节差别，实现均衡使用太阳能，减少设备安装台数，降低备用，提高效益，节省资源。

原帖由 通流 于 2010-10-11 09:33 发表
是啊。我也有同感。
不知这个FLUENT怎么能算出对流层，平流层，同温层等的。

大气层结构：http://www.eol.cn/article/20030911/3090731.shtml
1对流层 2平流层(同温层) 3中间层 4热层 5逃逸层

要让Fulent计算出这些层的高度，可能涉及到3种基本力：引力、弱相互作用、电磁力。(甚至可能包括第4种力：强相互作用)
也许统一场理论成熟以后，ANSYS和Fluent软件会发生革命性变化，流固耦合这些世界性难题可能得到解决。流固耦合的边界也许是引力，也许是弱相互作用。
目前所谓11维时空的超弦理论http://baike.baidu.com/view/17269.htm可能成为最有希望的统一场论的解决者。
虽然似乎与4维时空格格不入，但考虑到我们的科学意识最终都靠抽象的数学方程表达，也许弦理论是能描述现实的最佳工具。
也许这些理论成熟以后，ANSYS、Fluent会更简单易用一些。

[ 本帖最后由 uesoft 于 2010-10-11 11:30 编辑 ]

xrs333

可不敢。虽然会用FLUENT之类的东西，可不敢用它来摆弄地球。

通流

是啊。我也有同感。
不知这个FLUENT怎么能算出对流层，平流层，同温层等的。

周华

FLUENT要算这种问题必须引入球座标系，现在这个软件中没有现成的球座标系，大概用UDF修改重力项可以达到目的。

周华

原帖由 通流 于 2010-10-11 07:40 发表

                               
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那么，在维度30°和60°处，是怎么回事？为什么？

类似于benard对流，另外几个旋涡结构应该是流动的连续性要求的。从能量角度看，主要驱动能源还是在赤道这个地方，然后从赤道到高纬度传递上去。

通流

那样的话，总该有个分析，说明30°和60°被某个尺度所决定的。另外，我的印象是，实际的情况似乎还要复杂些。

uesoft

原帖由 通流 于 2010-10-11 09:33 发表
是啊。我也有同感。
不知这个FLUENT怎么能算出对流层，平流层，同温层等的。

必要的已知条件加上去，可以简化计算。
非要计算出各种大气层的高度，看来只有用ANSYS，但把电磁场、力场、流场的这些条件设置出来，可能也很麻烦。

周华

原帖由 通流 于 2010-10-11 10:11 发表

                               
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那样的话，总该有个分析，说明30°和60°被某个尺度所决定的。另外，我的印象是，实际的情况似乎还要复杂些。

没错应该更复杂，我说的这些就是定性的判断，定性是最差的定量嘛，所以具体的尺度分析最终还是要靠详细分析热空气上升到冷却下降的过程得到。我刚才提到Benard对流，在Benard对流中Rayleigh数是一个重要参数，但是在地球这样的尺度上，重力加速度的方向是变化的，同时哥氏力的影响不能忽略，所以肯定还需要另外的无量纲数来做基础性的分析和判断。这方面研究属于大气动力学范畴，所以大气动力学方面应该有相关资料，闲的时候可以查查。