摆线型大位移井剖面设计的数值计算

摆线型大位移井轨道由“直井段—圆弧井段—摆线井段—稳斜井段”构成,与其他类型的大位移井轨道相比,摆线型大位移井具有最小的或很小的摩阻和摩阻力矩。摆线型大位移井轨道设计问题归结为求解一个二元方程组,当未知设计参数为摆线井段初始井斜角或稳斜井段井斜角时,该方程组为非线性方程组,没有解析解。通过数学变换和化简,得到了等价的三角函数方程,根据区间搜索和二分法提出了求该三角函数方程近似解的数值迭代算法。算例表明,该算法具有很好的迭代稳定性,计算精度高、速度快。新算法可用于大位移井轨道设计的计算机软件开发,对于提高软件的适用性和稳定性具有较大的帮助。     

三维侧位抛物线型方位漂移轨道设计的数值算法

考虑方位漂移因素的设计约束方程组是一个具有3个独立未知数、多个隐含未知数的非线性方程组,需要使用数值迭代法才能求出其数值解。给出了解析形式的垂深增量公式,利用约束方程组中的垂深方程,将3个独立未知数中的一个未知数表示成其他2个未知数的函数,并用之对设计约束方程组进行降维处理。剖析了隐含未知数的计算细节,给出了隐含未知数的递推算法。提出了降维后的约束方程组的数值求解算法——缩半网格法,该算法可以快速、可靠地求出设计问题的数值解,适用于在开发计算机软件时编程实现。     

二维圆弧型井眼轨道设计问题的通解

二维圆弧型井眼轨道是常规定向井、水平井轨道设计优先考虑的剖面类型,应用比较广泛。但是由于井段组合形式很多,并且对于同一种井段组合还有很多种未知数求解组合,推导每种井段组合和求解组合情况下的解的计算公式的工作非常繁重和复杂。研究了任意井段组合和任意求解组合的通解问题,发现井眼轨道设计问题的约束方程组可以化归成线性代数方程组或者4种典型方程组之一;得到了4种典型方程组的实数解的计算公式,并给出了有实数解的判别条件。对于二维圆弧型井眼轨道设计问题的基础理论研究和计算机软件开发都有重要的意义。     

大位移井悬链线剖面设计的数值计算

悬链线剖面是大位移井轨道的经典类型,在进行设计时需要求解一个以悬链线初始井斜角为未知数的非线性方程。由于未知数包含在多个三角函数和对数函数中,计算工作量较大,而且常用的迭代求解方法存在一些问题。通过数学变换将该方程转换成一个只包含对数函数和多项式函数的新方程,对新方程的函数性态做了几何分析,进而提出了寻找求解区间的步长搜索算法和自适应步长搜索算法。利用二分法在求解区间上能够快速求出新方程的数值解。利用大位移井设计实例验证了本文算法的有效性,并对圆弧井段井眼曲率与方程解的关系进行了讨论。本文提出的算法可用于大位移井轨道设计的计算机软件开发中。     

水气二相流方程的一种离散数值解法

提出了水气二相流方程的一种数值解法.在利用有限元方法求解水气二相流方程时,引入了离散Newton迭代方法,用于非线性有限元方程组的线性化处理,将这一步计算的收敛阶由原有研究的线性收敛提高到平方收敛,并避免了直接应用Newton迭代方法给编程带来的不便.同时在求解两相的有限元方程组时,采用两相方程组并行迭代的方法,与联立计算相比节省了大量的内存空间.     

根据非线性程度求解非线性方程组的ABS算法

提出了一种根据非线性程度求解非线性方程组的ABS算法 ,该算法根据曲线的曲率建立非线性程度。初步的数值试验表明 ,多数情况下本文建立的ABS算法比原来的非线性ABS算法收敛快或与原ABS算法迭代次数相同     

混沌控制反演系统构造及算法逻辑设计

给出了适用于非线性反演的混沌控制反演系统构造方法及求解控制矩阵的算法逻辑设计。该方法在迭代反演控制参数和迭代反演输出结果之间建立耦合关系，通过时时修改控制参数保证迭代稳定收敛到预期的解空间。在求解过程中，应用数据结构方法分析了混沌控制理论中计算控制矩阵的数据结构，采用树形结构表述出控制矩阵计算过程中下标的取值逻辑，利用可以复读栈中元素的中序遍历来遍历每一棵树，寻找各元素的组合序列，给出的数值算例说明了混沌控制反演方法及其算法的有效性。     

第二类非线性Fredholm型积分方程数值解

配置法研究了地球物理中常见的第二类非线性 Fredholm 型积分方程的数值解法,将第二类非线性 Fredholm 型积分方程转化为非线性代数方程组进行求解,采用高斯数值积分公式,给出了数值计算的具体实例.利用Matlab软件的符号运算功能编程计算,克服了非线性方程难于变成求解的困难,数值例子表明该方法编程简便有效.对非线性积分方程和非线性代数方程组的求解都有重要价值.     

线性方程组迭代解的随机模型测试研究

本文讨论大型线性方程组迭代解的随机模型测试评价问题。给出了常用迭代解法ＣＧ、ＬＳＱＲ、ＳＩＲＴ、ＳＡＲＴ、ＳＡＳＩＲＴ等的测试结果。结果表明：（１）方程组系数矩阵的特性（条件数）及解结构都对解精度有重要影响。解模型越粗糙,解的精度越低。（２）各种求解算法都有一定的平滑效应,同时各种算法也都会产生误差大于２００％的奇异解,奇异解元素数一般约占１０％。（３）数据的拟合残差一般不能真实反映解的精度。（４）对含误差数据的求解问题,较好的求解算法是ＤＬＳＱＲ与ＳＡＳＩＲＴ。     

地下隧洞结构区间分析的优化方法

工程中的不确定性问题可以用区间理论、随机理论或模糊理论进行求解。采用区间分析方法来处理地下隧洞结构开挖支护过程中的不确定性问题时。将结构系统中的不确定性参数用区间数来表示,用有限元方法建立系统的控制方程。该控制方程是一个包含不确定性几何参数的复杂的非线性区间方程组。讨论了两种优化计算模型,分别将方程组中的所有区间数作为设计变量,区间量的变化区间作为相应的设计变量的边界约束,运用遗传模拟退火算法求出位移和应力等响应量的最大值和最小值。通过工程算例验证了文中方法的合理性及可行性,并与端点组合方法的结果进行了比较分析。     

加速型改进迭代法在非饱和土渗流中的应用研究

Richards方程常用于非饱和土渗流问题,并且应用广泛。在数值求解中,对Richards方程线性化,进而采用有限差分法进行数值离散以及迭代计算。其中传统的迭代法比如Jacobi迭代、Gauss-Seidel迭代法（GS）和连续超松驰迭代法（successive over-relaxation method,简称SOR）迭代收敛率较慢,尤其在离散空间步长较小以及离散时间步长较大时。因此,采用整体校正法以及多步预处理法对传统迭代法进行改进,提出一种基于整体校正法的多步预处理Gauss-Seidel迭代法（improved Gauss-Seidel iterative method with multistep preconditioner based on the integral correction method,简称ICMP(m)-GS）求解Richards方程导出的线性方程组。通过非饱和渗流算例,并与传统迭代法和解析解对比,对改进算法的收敛率和加速效果进行了验证。结果表明,提出的ICMP(m)-GS可以很大程度地改善线性方程组的病态性,相较于常规方法GS,SOR以及单一改进方法,ICMP(m)-GS具有更快的收敛率,更高的计算效率和计算精度。该方法可以为非饱和土渗流的数值模拟提供一定参考。     

基于混合遗传算法估计van Genuchten方程参数

van Genuchten(VG)方程是最常用的土壤水分特征曲线方程,其参数取值的精度直接影响到土壤水分运动方程计算的精度.该文建立了VG方程参数的优化模型,构建遗传算法与Levenberg-Marquardt算法相结合的混合遗传算法对其进行求解,并进行了数值试验.结果表明采用混合遗传算法比普通遗传算法不但提高了收敛效率,而且收敛迭代次数也大大减少;采用混合遗传算法估计参数的精度比非线性单纯形法和阻尼最小二乘法要高一些,而且不需要给参数初值.因此,混合遗传算法可以作为估计VG方程参数的一种新方法.     

非饱和渗流模拟中非均匀空间网格的改进方法

Richards方程在非饱和渗流模拟及其他相关领域应用广泛。在数值求解过程中,可以采用有限差分方法进行数值离散并迭代求解,为了获得较可靠的数值解,常规的均匀网格空间步长往往是较小的。在一些不利数值条件下,如入渗于干燥土壤,迭代计算费时甚至精度也不能得到很好改善。因此,文章提出Chebyshev空间网格改进方法,结合有限差分方法对Richards方程进行数值离散以获得线性方程组,并通过经典的Picard迭代方法进行迭代求解线性方程组以得到Richards方程的数值解。通过均质土和分层土2个不利情况下的非饱和渗流算例,又结合模型解析解和软件Hydrus-1D,对比研究了改进网格方法与均匀网格方法获得数值解的精度。结果表明,提出的Chebyshev网格方法相较于传统的均匀网格,可以在较少的节点数下获得较高的数值精度,又具有较小的计算开销,有较好的应用前景。     

基于同伦分析法的非饱和土层固结问题的级数解

由于非饱和土的渗透系数是基质吸力的函数,使得控制方程带有强非线性的特征,进而使得控制方程的解析求解变得十分困难。同伦分析法对级数基函数和辅助线性算子的选择具有更大的自由性、灵活性,且收敛性的控制和调节更加容易实现,求解强非线性微分方程时在选择线性算子以及辅助参数上具有明显的优势。因此,针对非饱和土固结方程的非线性特征,对于处于地表浅层的非饱和土层,假设孔隙气压力为大气压力,在Richard经验公式与非饱和土一维固结理论的基础上,推导了非饱和一维固结无量纲控制方程;应用同伦分析法,通过选取适当的初始猜测解与辅助参数,将该非线性方程转换为线性的微分方程组并求解得到固结问题的级数解。此外,以压实高岭土为研究对象,在收集相关试验参数基础之上,将由同伦分析法求得的固结问题的近似解析解与有限差分法数值结果相对比,分析结果验证了解析解的正确性。     

A parallel, implicit, cell‐centered method for two‐phase flow with a preconditioned Newton–Krylov solver

A new parallel solution technique is developed for the fully implicit three‐dimensional two‐phase flow model. An expandedcell‐centered finite difference scheme which allows for a full permeability tensor is employed for the spatial discretization, and backwardEuler is used for the time discretization. The discrete systems are solved using a novel inexact Newton method that reuses the Krylov information generated by the GMRES linear iterative solver. Fast nonlinear convergence can be achieved by composing inexact Newton steps with quasi‐Newton steps restricted to the underlying Krylov subspace. Furthermore, robustness and efficiency are achieved with a line‐search backtracking globalization strategy for the nonlinear systems and a preconditioner for each coupled linear system to be solved. This inexact Newton method also makes use of forcing terms suggested by Eisenstat and Walker which prevent oversolving of the Jacobian systems. The preconditioner is a new two‐stage method which involves a decoupling strategy plus the separate solutions of both nonwetting‐phase pressure and saturation equations. Numerical results show that these nonlinear and linear solvers are very effective.     

Multiscale finite-volume formulation for multiphase flow in porous media: black oil formulation of compressible,three-phase flow with gravity

Most practical reservoir simulation studies are performed using the so-called black oil model, in which the phase behavior is represented using solubilities and formation volume factors. We extend the multiscale finite-volume (MSFV) method to deal with nonlinear immiscible three-phase compressible flow in the presence of gravity and capillary forces (i.e., black oil model). Consistent with the MSFV framework, flow and transport are treated separately and differently using a sequential implicit algorithm. A multiscale operator splitting strategy is used to solve the overall mass balance (i.e., the pressure equation). The black-oil pressure equation, which is nonlinear and parabolic, is decomposed into three parts. The first is a homo geneous elliptic equation, for which the original MSFV method is used to compute the dual basis functions and the coarse-scale transmissibilities. The second equation accounts for gravity and capillary effects; the third equation accounts for mass accumulation and sources/ sinks (wells). With the basis functions of the elliptic part, the coarse-scale operator can be assembled. The gravity/capillary pressure part is made up of an elliptic part and a correction term, which is computed using solutions of gravity-driven local problems. A particular solution represents accumulation and wells. The reconstructed fine-scale pressure is used to compute the fine-scale phase fluxes, which are then used to solve the nonlinear saturation equations. For this purpose, a Schwarz iterative scheme is used on the primal coarse grid. The framework is demonstrated using challenging black-oil examples of nonlinear compressible multiphase flow in strongly heterogeneous formations.     

水体交换年龄模型研究

采用剖开算子法,把水体年龄控制方程分成几个连续的初值问题。在任意三角形网格中,分别对不同性质的算子采用各自适合的算法,即采用特征线法求解对流分步,采用半隐式有限元法求解扩散分步和传播分步。利用水体交换模型试验结果和水体年龄对称特性解析解对所建立的年龄模型进行了验证计算,结果表明,建立的水体年龄模型计算结果与试验结果、解析解结果吻合,可较好地预测水体交换年龄。