两相介质近场波动模拟的一种解耦有限元方法

本文将求解近场波动问题的一种解耦技术推广到两相介质,得到了一种求解两相介质近场波动问题的直接解耦方法,包括集中质量有限元模型、时域显式积分格式和局部人工边界条件. 首先应用加权残数法,并依据波动模拟的精度要求,得到了两相介质集中质量有限元模型. 然后,结合两相介质中波动的衰减特性,实现了透射边界在两相介质近场波动中的运用. 最后,通过数值实验,并与解析解对比,验证了本文方法的有效性.     

弱形式时域完美匹配层

应用高精度人工边界条件可有效提升近场波动数值模拟计算效率.完美匹配层是吸收层形式高精度人工边界条件,匹配层内场方程和界面条件通常分别采用复坐标延伸技术变换强形式无限域内波动方程和界面条件得到,亦曾将无限域界面条件当作匹配层界面条件.场方程和界面条件构建过程相互独立,可能出现匹配不合理而引发数值失稳、计算精度低下等问题.本文提出采用复坐标延伸技术变换弱形式无限域波动方程以构建完美匹配层的方法.弱形式波动方程耦合了波动方程及界面条件,进而规避了变换后所得场方程与界面条件之间的匹配不合理问题.新方法可直接建立弱形式匹配层,在此基础上亦可给出强形式匹配层.弱形式便于有限元离散,强形式便于有限差分离散.基于弱形式完美匹配层,结合勒让德谱元建立了弹性介质近场波动谱元模拟方案.利用算例验证了新方案的精度及数值稳定性.本文工作可直接推广至多相耦合介质近场波动数值模拟.     

消除多次透射公式高频振荡失稳的一种措施

多次透射公式（MTF）物理概念简单,便于在计算机上实现时空解藕的高精度波动数值模拟。然而,MTF与其它局部人工边界条件类似,存在数值模拟失稳问题,如高频振荡便是可能出现的失稳现象。本文在分析MTF高频振荡失稳机理的基础上,提出了在波动有限元数值模拟中消除MTF高频振荡失稳的一种措施,即在整个有限元数值模拟区内施加与应变速率成正比的较小粘性阻尼;同时,讨论了这一稳定措施的有效性及其对数值计算精度的影响,并通过数值试验检验了这一稳定措施的可行性。结果表明,消除高频振荡失稳的措施行之有效,且只对波动有限元数值模拟中无意义的高频分量具有抑制作用,而对有意义的较低频段内的波动有限元数值模拟精度影响较小。     

频率-空间域CPML和特征分析法组合边界研究

在地震波场数值模拟过程中,边界反射是影响其模拟结果的一个重要因素。实际地下介质具有各向异性特征,传统的完全匹配层边界（PML）对于小入射角地震波具有良好效果,但该方法并不能有效地吸收低频波和大角度入射波。针对VTI介质边界反射的问题,本文提出在频率-空间域有限差分法数值模拟中采用卷积完全匹配层（CPML）和特征分析法的组合边界条件,并对该组合边界条件进行数值模拟实验和边界反射吸收效果分析,验证所提方法是一种可靠的人工吸收边界条件,能够有效地压制波场模拟过程中产生的边界反射。      

含方形凹陷半无限非均匀介质波动问题FDM模拟

采用规则网格有限差分方法对二维平面弹性波动方程进行差分离散,得到相应的弹性波动方程的有限差分方程,再将弹性波动方程的差分格式与吸收边界、自由边界的离散形式结合形成弹性波动方程有限差分方程解决问题的主体,将其应用于含方形凹陷半无限非均匀介质的模型中进行数值模拟,得到此离散化模型中不同时刻不同节点的位移值。针对具体算例,运用上述方法结合科学计算软件MATLAB和结果后处理软件DIFEM ISOLINE PLOTER得到不同时刻的水平方向位移等值线图与接收器测量点处的合成位移记录,讨论非均匀介质、吸收边界、方形凹陷等对波动特性的影响。     

土层地震反应的数值模拟

利用土层地震反应分析的一维模型,系统地讨论了波动数值模拟时域算法的基本概念,首先阐明了模拟上层下卧基岩的精确辐射条件与多次透射公式之间的关系,给出了实现精确辐射条件的简化方法,然后将此边界条件与土层有限元运动方程结合,提出了半无限土层地震反应的一种解耦的有限元算法,本文还进行了这一算法的数值模拟试验,讨论了时域算法较之常用的频域算法的优点,复阻尼和粘性阻尼影响的差异以及研究与复阻尼理论对应的时域,     

流体饱和多孔介质波动方程的有限元解法

讨论了流体饱和多孔介质中波传播问题的有限元解法,首先在Ｂｉｏｔ理论的基础 上,概述了数学问题的提法,然后提出了一种新型简便的人工边界上的无反射边界条件,同时 给出了有人工边界时流体饱和多孔介质波动方程的有限元计算公式．数值试验的结果表明, 本文提出的无反射边界条件和数值方法均很有效．     

三维弹性波数值模拟中改进的NPML研究

在地震波传播数值模拟的过程中,需要使用吸收边界条件达到衰减人为边界反射的目的,其中完全匹配层(PML)吸收边界条件被认为是目前最理想的吸收边界条件.但在三维地震波传播数值模拟中直接应用常规的PML吸收边界条件存在编程实现复杂、计算资源需求高等不足之处.本文基于传统的NPML吸收边界条件,提出了一种改进的方法.该方法通过引入伸展函数和辅助变量,把PML介质中的三维弹性波动方程分解成正常计算项和衰减项,其中衰减项的计算只在PML区域内部进行,其值只与坐标轴的方向相关,可通过离散数值迭代求解.分析和试验结果表明,该方法避免了卷积运算,减少了辅助变量的个数,具有理论方程简洁、编程实现简单、计算资源需求少等优点,能更有效地解决三维地震波传播数值模拟中的吸收边界问题.     

弱形式时域完美匹配层——滞弹性近场波动数值模拟

本文旨在构建适用于滞弹性近场时域波动有限元模拟的高精度人工边界条件：完美匹配层（Perfectly Matched Layer：PML）,其中阻尼介质时域本构基于广义标准线性体建立.与以往研究不同,本文采用复坐标延拓技术变换弱形式波动方程构建了可直接用有限元离散的弱形式时域PML,规避以往独立对无限域内波动方程及界面条件进行延拓可导致的PML场方程和界面条件匹配不合理引发数值失稳、计算精度低下等问题.其次,针对PML中多极点有理分式与频域函数乘积的傅里叶反变换难以计算的问题,利用PML精度对复坐标延拓函数中延拓参数微调不敏感这一特点,明确给出了参数微调准则以规避多重极点,进而利用有理分式分解给出了一种普适、简便的计算方法,极大地简化了PML计算.基于该方法可实现任意高阶PML.最后,将本文构建滞弹性PML与高阶勒让德谱元（高精度集中质量有限元）结合得到滞弹性近场波动谱元离散方案.基于算例验证了滞弹性PML的计算效率、精度及新离散方案的长持时稳定特性.新离散方案可应用于计入实际介质阻尼的地震波动正、反问题数值模拟,提高波形模拟的精度以及地下波速结构反演的精度和可靠性.     

求解双相和黏弹性介质波传播方程的间断有限元方法及其波场模拟

间断有限元（Discontinuous Galerkin：DG）方法具有低数值频散、网格剖分灵活、能模拟地震波在复杂介质中传播等优点.因此,本文将一种新的DG方法推广到双相和黏弹性等复杂介质的地震波场模拟,发展了求解Biot弹性波方程和D'Alembert介质波动方程的DG方法.首先通过引入辅助变量将Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程转化为关于时间-空间的一阶偏微分方程组,然后对该方程组进行DG空间离散,得到半离散化的常微分方程组.最后,对此常微分方程组,应用加权的Runge-Kutta格式进行时间推进计算.数值结果表明,DG方法可以有效地求解Biot双相介质弹性波方程和D'Alembert介质波动方程,并能很好地压制因离散求解波动方程而产生的数值频散,获得清晰的各种地震波震相.     

基于PML边界条件的二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟

完全匹配层(PML)作为一种稳定高效的吸收边界条件,广泛应用于基于一阶电磁波动方程的探地雷达(GPR)数值模拟中.为解决基于二阶电磁波动方程的GPR数值模拟的吸收边界问题,本文借鉴二阶弹性波动方程的PML边界条件构建思想,提出了一种适合二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟的PML边界条件.从二阶电磁波动方程出发,基于复拉伸坐标变换,推导了PML算法的频域表达式;通过合理构造辅助微分方程,得到了PML算法的时域表达式,并以变分形式(弱形式)加载到GPR时域有限元方程中,实现了PML边界条件在二阶电磁波动方程GPR时域有限元模拟中的应用.在此基础上,对比了无边界条件、Sarma边界条件和PML边界条件下均匀模型的波场快照、单道波形、时域反射误差和能量衰减曲线,结果表明:PML边界条件的吸收效果要远优于Sarma边界条件,具有近似零反射系数.一个复杂介质模型的正演模拟验证了PML边界条件在非均匀地电结构中电磁波传播模拟的良好吸收效果.     

Influence of Boundary Condition Types on Unstable Density‐Dependent Flow

Boundary conditions are required to close the mathematical formulation of unstable density‐dependent flow systems. Proper implementation of boundary conditions, for both flow and transport equations, in numerical simulation are critical. In this paper, numerical simulations using the FEFLOW model are employed to study the influence of the different boundary conditions for unstable density‐dependent flow systems. A similar set up to the Elder problem is studied. It is well known that the numerical simulation results of the standard Elder problem are strongly dependent on spatial discretization. This work shows that for the cases where a solute mass flux boundary condition is employed instead of a specified concentration boundary condition at the solute source, the numerical simulation results do not vary between different convective solution modes (i.e., plume configurations) due to the spatial discretization. Also, the influence of various boundary condition types for nonsource boundaries was studied. It is shown that in addition to other factors such as spatial and temporal discretization, the forms of the solute transport equation such as divergent and convective forms as well as the type of boundary condition employed in the nonsource boundary conditions influence the convective solution mode in coarser meshes. On basis of the numerical experiments performed here, higher sensitivities regarding the numerical solution stability are observed for the Adams‐Bashford/Backward Trapezoidal time integration approach in comparison to the Euler‐Backward/Euler‐Forward time marching approach. The results of this study emphasize the significant consequences of boundary condition choice in the numerical modeling of unstable density‐dependent flow.     

高精度频率域弹性波方程有限差分方法及波场模拟

有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,但常规的有限差分法本身存在着数值频散问题,会降低波场模拟的精度与分辨率,为了克服常规差分算子的数值频散,本文采用25点优化差分算子,再根据最优化理论求取的优化系数,建立了频率空间域中弹性波波动方程的差分格式;为了消除边界反射,引入最佳匹配层,构造了各向同性介质中弹性波方程在不同边界和角点处的边界条件. 最后由弹性波波动方程和边界条件,通过频率域有限差分法,分别利用不同震源对弹性波在均匀各向同性介质、层状介质及凹陷模型中的传播过程进行了数值正演模拟,得到了单频波波场、时间切片和共炮点道集,为下一步的研究工作（如成像、反演）提供了研究基础.     

各向异性介质地震波场数值模拟及特征分析

由于各向异性广泛存在于地下岩石中,随着勘探精度的不断提高,对地下介质的各向同性假设越来越不能够满足于现状,因此对各向异性介质的数值模拟显得更为重要。本文推导了各向异性介质的弹性波动方程,总结了震源类型,通过PML方法处理了人工边界问题,通过快照分析验证了数值频散、稳定性条件。研究结果表明:① PML完全匹配层,可较好地解决人工边界问题;②减小空间采样间隔压制数值频散比减小时间采样间隔效果要好得多,盲目减小时间采样间隔会大大降低数值模拟的运算效率;③各向异性介质中弹性波场中除含有准纵波外,还含有速度较慢的准横波;④准纵波波前能量要比由各向异性引起的准横波能量强,准纵波和准横波的波前随着各向异性介质参数的变化而变化。      

基于改进声波方程和MCPML边界的频率域高精度正演模拟

数值频散和边界反射是频率域模拟时需要解决的两个重要问题.然而,受计算效率和分解阻抗矩阵时的内存占用量的制约,提高有限差分算子长度或增加有限差分网格数目均不是提高频率域模拟精度的最优解决方案.本文首先分析了数值频散产生的理论机制,在此基础上,推导了一种“波数补偿”的声波方程表达式来压制数值频散,并给出其物理意义,有效地改善了数值频散问题,提高了模拟精度;在边界问题上,本文采用多轴卷积完全匹配层(MCPML)边界条件代替传统的完全匹配层(PML)边界条件,快速吸收边界内的残余能量,压制边界反射.结合改进声波方程和MCPML边界条件,给出了一种高精度的频率域声波方程有限差分格式.数值模拟结果表明,在不增加计算量和内存占用量的前提下,本文研究的方法、正演精度高、波场模拟清晰、无干扰反射,是一种可靠高效的频率域模拟方法.     

场地地震反应分析中侧向人工边界距离选取及影响因素分析

结合均匀场地模型和分层均匀场地模型,采用数值试验的方法研究了场地地震反应分析中侧向人工边界距离的选取问题。分析了各主要因素对人工边界距离选取的影响,得到了如下结论:单侧人工边界距离与土层深度之比L/h是影响人工边界距离选取的主要参数;随着侧向人工边界距离的增加,有限元模型的计算误差并不一直减小,在局部范围内,会出现计算误差随着边界距离的增加而增大的现象;场地硬度、阻尼比和激振频率等因素不会影响计算误差随边界距离的变化规律,但采用自由场边界时受输入地震动频谱特性的影响较为明显;对水平激振下的一维场地模型来说,采用结合自由度边界时所需边界距离最短,自由场边界次之,采用粘性边界达到收敛时所需边界距离最长;无论哪种边界条件,当边界距离大于某一范围后,都能得到稳定的计算结果;相对于均质场地模型来说,实际的分层均匀场地建模时可适当减小侧向人工边界距离。     

Application of the nearly perfectly matched layer for seismic wave propagation in 2D homogeneous isotropic media

Numerical modelling plays an important role in helping us understand the characteristics of seismic wave propagation. The presence of spurious reflections from the boundaries of the truncated computational domain is a prominent problem in finite difference computations. The nearly perfectly matched layer has been proven to be a very effective boundary condition to absorb outgoing waves in both electromagnetic and acoustic media. In this paper, the nearly perfectly matched layer technique is applied to elastic isotropic media to further test the method's absorbing ability. The staggered‐grid finite‐difference method (fourth‐order accuracy in space and second‐order accuracy in time) is used in the numerical simulation of seismic wave propagation in 2D Cartesian coordinates. In the numerical tests, numerical comparisons between the nearly perfectly matched layer and the convolutional perfectly matched layer, which is considered the best absorbing layer boundary condition, is also provided. Three numerical experiments demonstrate that the nearly perfectly matched layer has a similar performance to the convolutional perfectly matched layer and can be a valuable alternative to other absorbing layer boundary conditions.     

起伏地表弹性波传播的间断Galerkin有限元数值模拟方法

间断Galerkin有限元法（DG-FEM）作为一种有效的高阶有限元法受到了国内外学者的广泛关注.本文基于任意高阶间断Galerkin有限元法对弹性波方程进行空间离散,并将离散后所得的非齐次线性常微分方程系统齐次化,最后结合针对齐次问题的强稳定性保持龙格库塔（SSP Runge-Kutta）算法,将DG-FEM推广至时间任意高阶精度.另外,借鉴近最佳匹配层（NPML）的思想,基于复频移（CFS）拉伸坐标变换推导了一种新的PML吸收边界条件（简称为CFS-NPML）,该CFS-NPML能够与DG-FEM算法很好地结合,形成有效的起伏地表地震波传播数值模拟技术.数值试验结果表明,DG-FEM具有高阶精度,可以适应任意复杂起伏地表和复杂构造情况下的弹性波传播数值模拟.同时,CFS-NPML对包括面波等震相的人为边界反射都具有良好的吸收效果.