尺度分析 (数学科学)

尺度分析(Scale analysis),或稱量级分析(order-of-magnitude analysis),是一个應用于数学科学的工具,用于简化含有多项式的公式。首先确定方程中的某一项的量级。然后一些小到可以忽略不计的项可能会被忽略。

例:綜觀尺度气象学垂直动量
考虑大气中纳维–斯托克斯的方程式中的垂直坐标方向上的 动量方程式

:{{\partial w }\over{\partial t }} + u {\frac{\partial w}{\partial x}} + v {\frac{\partial w}{\partial y}} + w {\frac{\partial w}{\partial z}} - {\frac{u^2 + v^2}{R}}= - { { \frac{1}{\varrho}}{\frac{\partial p}{\partial z}}} - g +2{\Omega u \cos \varphi} + \nu \left({\frac{\partial^2 w}{\partial x^2}}+{\frac{\partial^2 w}{\partial y^2}}+{\frac{\partial^2 w}{\partial z^2}}\right),\qquad(1)

其中R是地球半径,Ω是地球旋转频率,g 是重力加速度,φ是纬度,ρ是空气密度以及ν是空气的 运动粘性系数(我们可以忽视湍流在大气中的影响)。

在綜觀尺度中,我們可以預期U = 101 m.s-1的水平速度和W = 10-2 m.s-1的垂直速度。 水平刻度L = 106米,垂直刻度H = 104米。 典型的時標是T = L / U = 105秒。 對流層的壓差為ΔP= 104Pa,空氣密度ρ= 100 kg·m-3。 其他物理屬性約為:

:R = 6.378 × 106 m;

:Ω = 7.292 × 10−5 rad·s−1;

:ν = 1.46 × 10−5 m2·s−1;

:g = 9.81 m·s−2.

等式(1)中不同項的估計可以使用它們的尺度來進行:

:
\begin{align}
{{\partial w }\over{\partial t }} &\sim \frac{W}{T} \\[1.2ex]
u {\frac{\partial w}{\partial x}} &\sim U\frac{W}{L} &\qquad
v {\frac{\partial w}{\partial y}} &\sim U\frac{W}{L} &\qquad
w {\frac{\partial w}{\partial z}} &\sim W\frac{W}{H} \\[1.2ex]
{\frac{u^2}{R}} &\sim \frac{U^2}{R} &\qquad
{\frac{v^2}{R}} &\sim \frac{U^2}{R} \\[1.2ex]
\frac{1}{\varrho}\frac{\partial p}{\partial z} &\sim \frac{1}{\varrho}\frac{\Delta P}{H} &\qquad
\Omega u \cos \varphi &\sim \Omega U \\[1.2ex]
\nu \frac{\partial^2 w}{\partial x^2} &\sim \nu \frac{W}{L^2} &\qquad
\nu \frac{\partial^2 w}{\partial y^2} &\sim \nu \frac{W}{L^2} &\qquad
\nu \frac{\partial^2 w}{\partial z^2} &\sim \nu \frac{W}{H^2}
\end{align}

現在我們可以將這些尺度及其值引入等式(1):

:
{\frac{10^{-2}}{10^5}}+10{\frac{10^{-2}}{10^6}}
+10{\frac{10^{-2}}{10^6}}
+10^{-2}{\frac{10^{-2}}{10^4}}
-{\frac{10^2+10^2}{10^6}}

:
= - {{\frac{1}{1}} {\frac{10^4}{10^4}} } - 10 + 2 \times 10^{-4} \times 10 + 10^{-5} \left({\frac{10^{-2}}{10^{12}}} + {\frac{10^{-2}}{10^{12}}} + {\frac{10^{-2}}{10^{8}}} \right).
\qquad (2)

我們可以看到所有項次(除了右側的第一個和第二個)都可以忽略不計。因此,我們可以將垂直動量方程式簡化為流體靜力平衡方程式:

:{ { \frac{1}{\varrho}}{\frac{\partial p}{\partial z}}} = - g. \qquad (3)

相關條目
*近似

外部連結
*[https://web.archive.org/web/20060410082050/http://www.env.leeds.ac.uk/envi2210/notes/node7.html Scale analysis and Reynolds numbers]

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