
1. 以方程(4.13)为例,我们来探讨Boltzmann变换的基本思想。通过引入新变量,我们可以将地下水运动方程中的水头H(x,t)随空间变化的偏导数表示为:
2. 同样,地下水运动方程中水头随时间变化的偏导数可以表示为:
3. 通过这样的变换,方程(4.13)可以转化为地下水运动方程。由于此时只有一个自变量φ,我们称之为Boltzmann空间。这种变换将(x,t)空间的问题转换为Boltzmann空间的问题,使得求解更为方便。
4. 令地下水运动方程,则方程(4.74)可以简化为一个简单的常微分方程:
5. 该方程的通解为:
6. 代入方程(4.75),我们得到另一个常微分方程:
7. 其通解可以表示为:
8. 因此,利用Boltzmann变换,我们可以轻松得到上述偏微分方程的通解。
9. 根据误差函数erf(u)和余误差函数erfc(u)的性质,上述通解还可以表示为:
10. 需要注意的是,只有控制方程、初始条件、边界条件三者均能向Boltzmann空间转换,才能使用Boltzmann变换进行求解。
11. 此外,使用以下变量,我们也可以对上述偏微分方程进行变换,这被称为修正的Boltzmann变换(Bear,1972):