弹性介质Hamilton正则方程与地震波方程

地震勘探中地震波在地球介质内传播的过程非常复杂,而处理复杂系统问题时分析力学理论具有优越性。本文将地球介质看作是弹性介质,建立均匀和非均匀弹性介质的Hamilton正则方程,使弹性介质分析动力学方程由位形空间拓展到了相空间。利用弹性介质的Hamilton正则方程导出均匀与非均匀弹性介质的地震波方程和声波介质的地震波方程,为用Hamilton分析动力学研究地球介质中地震波传播、处理和解决地震勘探中的有关问题提供了基础。同时给出了用分析动力学理论处理解决地震勘探有关问题的思路。     

一阶速度-应力双相介质方程逆时偏移及GPU加速实现

实际地下储层是含流体的双相介质,常规的弹性波叠前逆时偏移多基于单相介质理论,不能充分考虑地层中的双相介质对地震波场的影响。为研究双相介质中地震波传播对逆时偏移结果的影响,基于Biot的双相介质理论实现了一阶速度-应力双相介质方程的逆时偏移,并基于CUDA实现了双相介质方程逆时偏移的GPU加速。模型实验结果表明,在含流体的双相介质中,双相介质方程逆时偏移的结果比弹性波方程和声波方程的结果更接近真实的构造形态,同时与基于CPU的双相介质逆时偏移相比,基于GPU的逆时偏移可达到27倍的加速比。因此基于GPU加速的双相介质逆时偏移不仅能够实现对双相介质地层的精确偏移成像,而且能够有效提高逆时偏移的计算效率。     

海底浅层气的地震波场模拟与特征

考虑海底介质的黏滞性,讨论了二维黏弹性波动方程,建立了包含密度、品质因子等物性参数的海底浅层气模型来精确描述目标,采用数值模拟的手段,正演计算了地震波在团(块)状浅层气、高压气囊、下凹气道、气底辟等4种不同海底浅层气模型中的传播响应。为了有效地压制在粗网格下差分计算产生的数值频散,将通量校正传输(FCT)算法应用于波动方程的求解中,提高了地震波场模拟的精度和运算效率。通过计算获得了不同储存层条件下海底浅层气的地震波剖面特征,得到了典型声学剖面识别标志,为海洋地质灾害勘察提供了一种有效的科学研究手段。     

基于纵横波保幅分离的粘弹介质弹性波正演模拟

地下介质往往表现为粘弹特性,研究基于粘弹假设的数值模拟方法对于正确认识地震波的传播规律和提高地震勘探精度具有重要意义。波动方程正演过程中纵横波的保幅解耦是研究准确的粘弹介质中地震波传播机理的前提,基于散度和旋度算子的纵横波解耦方法会使波场的相位和振幅产生畸变,且解耦后的波场在极性反转位置上无法与分离前混合波场各分量对应。在散度和旋度算子上再做一次梯度和旋度运算的波场分离方法虽然能够克服上述缺陷,但存在保幅性差等问题。本文从粘弹介质中的一阶速度-应力方程出发,推导了矢量纵横波分离的波数域表达式,结合有限差分思路给出了其在空间域的求解方法。本文方法利用纵横波的传播速度对现有的矢量波场分离方法进行振幅校正,并将校正结果分别作为纵波与横波对时间的二阶偏导,实现了粘弹介质中的纵横波分离。模型试算结果表明,本文方法能够克服现有方法的缺陷,获得更具保幅性的波场分离结果。     

陆架波的数值研究及分析

本文应用二维正压模式模拟冬季黄,东海的陆架陷波与环流,模式考虑了方程中所有项,数值模式采用显式的二次守恒格式,其优点在于能够抑制非线性不稳定性. 计算结果表明,黄、东海存在两个自由陆架波,在黄海海域呈气旋式传播,一个沿中国大陆向低纬传播,具有较大的振幅和波长,波速为50—70千米/小时,另一个沿朝鲜沿岸向北传播,波速为30—60千米/小时.这些波动发生在大风过境之后,或大风的松弛过程中,其消衰时间约3天.计算还发现,沿冲绳海崖有一向南传播的自由双开尔文波.     

冬季黄、东海中国沿岸水位的低频波动

本文选用黄、东海中国沿岸9个水位站的水位、气压、风速资料分析冬季水位变化的基本特征,结果表明黄海及东海北部沿岸水位的变化主要与NNW-SSE向的风有关,该方向大体同黄海海槽的伸展方向一致;东海南部沿岸水位的低频变化同E-W向风有关,这一方向同该海域的岸线约有60°的交角。水位低频波动的主要周期是2,3和5天左右,东海还有6—7天的波动。水位变化的振幅为北部大、南部小,西海岸大、东海岸及岛链地区小。水位波动自北向南传播,其波速在黄海北部沿岸约为18—20km/h,东海北部沿岸逐渐增至30—40km/h。东海南部的低频波速几乎是频率的线性函数。水位对风的响应时间尺度约13—28小时,自北向南逐步增加。中国沿岸还存在周期约为2,3和5天的自由波动向南传播,其波速约为30—60km/h。     

地震波衰减和频散属性的提取及其在油气检测中的应用

地震波穿过地层时会发生频散和衰减,岩层中含有油气等流体时,频散和衰减有其特殊性,双相介质理论能很好地刻画地下介质含有流体时的情况。本文基于双相介质理论公式,研究流体参数和频率对地震波衰减和频散的影响规律。结果表明:地震波低频成分衰减较弱,高频成分衰减较强;黏弹性强的流体频散强,粘弹性低的流体频散弱;衰减和频散可以作为油气存在的标志。文中通过广义S变换,对实际地震资料计算,较准确地提取地震波的低频、高频能量和频散特征曲线,并对实际资料进行了含油气性预测,取得了与钻井一致的结果。     

地层岩性与地震波速度的关系分析

岩性与地震波速度的关系非常密切,岩石的成分、密度,岩石颗粒的分选、磨圆度等均不同程度地影响着地震波速度。作者在调研的基础上,系统介绍了岩性与地震波速的关系,并给出了5类沉积岩波速和密度的平均值、波速与密度的转换公式、地震岩性预测的方法。     

海底浅层介质切变波的初步研究

初步分析了中国沿海海底浅层介质切变波的传播特性,讨论了多种海底浅层介质切变波与压缩波、物理力学性质之间的关系,并与Hamilton和Chen等人的结果进行了比较。认为海底浅层介质存在切变模量,切变波可以被测量出来,切变波速为50—600m·s-1,测量频率在50—200kHz之间,用波速比可以评价海底浅层介质的应力 应变性质。研究工作有助于描述和评价中国沿海海底浅层介质声学物理性状,并为最终建立中国沿海海底地声模型提供依据。     

南海北部陆坡内孤立波对桩柱作用力的极值推算

内孤立波的发生常伴随着大振幅波动和突发性强流,对桩柱等海中结构物产生强烈破坏作用。基于KdV方程和Morison公式,在忽略高阶模态的情况下,探讨内孤立波对桩柱的单位作用力、总作用力、剪力和弯矩的极值问题,并利用2016-07南海北部陆坡的实测资料对理论结果进行检验。结果表明:1)在内孤立波最大振幅所在的垂向剖面上,上层与下层各存在一个单位作用力极值,且二者方向相反,上层总作用力强于下层,最大剪力和弯矩分别发生于水平流速的转向层和海底;2)各水层中,沿着内孤立波的传播方向,所有作用力的数值均随时间的推移先递增后递减,存在正向或负向的最大值;3)全水层总作用力极值发生在半周期,其值与波动振幅和水平波速有关,其他作用力极值发生于最大振幅时刻之前,作用力极值与振幅和非线性波速正相关,与水平特征宽度负相关;4)单位作用力极值的时间提前量与振幅和水平特征宽度强相关,与非线性波速弱相关。     

一个新的破碎波统计模式

由运动方程和涡度方程所导得的两个首次积分估计给出了海波破碎的发生条件和破碎波的波面限制。由这两个条件所构造的新的破碎波统计模式，可导出海波的破碎面积率、破碎体积率和破碎能量损耗率的解析表达式，加之一个简单的白冠物理模型又导出了一个新的白冠覆盖率的解析表达式。     

An Extented Wave Action Equation

1 .IntroductionWaves,oneofthemostimportantdynamicfactorsincoastalengineering ,havesignificanteffectsonthesafetyofconstructionandthecostofcoastalstructures.Thevariationofwave inducednearshorecurrentsandlongcyclicoscillationofwatersurfaceresultsinbankerosion ,sedimenttransportinestu aries ,siltationofharborsandchannels ,protectivestructureaccidents ,shipmooringfailuresanddiffu sionofpollutants ,andthushavedrawnscientificresearchers’attention .Alargenumberofresearchresultsonwavesandwave inducedc…     

Surface gravity wave interaction with elastic bottom

In the present paper, a hydroelastic model is developed to deal with surface gravity wave interaction with an elastic bed based on the small amplitude water wave theory and plate deflection in finite water depth. The elastic bottom bed is modelled as a thin elastic plate and is based on the Euler-Bernoulli beam equation. The wave characteristics in the presence of the elastic bed is analyzed in both the cases of deep and shallow water waves. Further, the linearized long wave equation is generalized to include bottom flexibility. A generalized expansion formula for the velocity potential is derived to deal with the boundary value problems associated with surface gravity waves having an elastic bed. The utility of the expansion formula is illustrated by demonstrating specific physical problems which will play significant role in the analysis of wave structure interaction problems. Behavior of the wave spectra are discussed in the case of closed basin having a free surface and an elastic bottom topography.     

不同刚度植物杆群对规则波传播及紊动特性影响研究

以不同刚度硅胶圆杆群为概化植物模型,测定其抗弯弹性模量,通过波浪水槽实验,研究规则波在不同刚度植物杆群内的流速分布、紊动特征及不同刚度杆群的消浪效果。实验结果表明,当波浪通过柔性杆群时,受其摆动的影响,流速周期变化从单峰型逐渐转变成双峰型,杆群刚度越小形成的二次波峰越明显;不同刚度杆群内水体紊动强度变化显示,杆群刚度越大,造成杆群内水体的紊动强度越大;随着杆群抗弯弹性模量的增大,其消浪系数也增大,消浪系数的增长与材料的抗弯弹性模量值非线性关系,而是在某一弹性模量范围内,对消浪系数的影响较为敏感。     

海底沉积物弹性参数计算方法及误差分析

由海底沉积物的纵波速、横波速及湿密度,根据岩土力学原理,整理出一组计算海底沉积物弹性参数的公式;以该公式计算了南海南部海域浅层沉积物的弹性参数,计算结果与已有文献资料数据做了比较,分析了两者误差的原因.     

深水中极限波峰下速度场快速算法

基于五阶斯托克斯规则波理论,提出了一种快速求解深水极限波峰下速度场的数学模型.研究中,按照上跨零点和下跨零点的方法由计算或实测的极限波浪波面时间历程确定包含极限波峰的相邻两个周期的平均值为五阶斯托克斯规则波的波浪周期,然后根据极限波峰反推确定波浪入射波幅.通过与已有的数值结果和实验数据对比,验证了所建立的数值模型可以快速准确的计算出极限波峰下的速度场,相比其他模型,更适合于工程应用.     

海底沉积物纵波波速与物理-力学性质的理论关系和比较

本文提出以密度变化比和等效弹性模量变化比为参数描述海底沉积物纵波波速,得到密度变化比是由孔隙率、海水密度和海底沉积物固相密度构成的复合参数,建立了以复合参数和等效弹性模量变化比为变量的泰勒多项式海底沉积物纵波波速公式。基于单因素分析法得出纵波波速可表示为参考声速与调制函数的乘积,沉积物的参考声速由海底底质物理性质确定,建立了复合参数-声速的近似理论模型。对该理论模型与现有的主要纵波波速经验公式的分析结果表明,孔隙率-纵波波速经验公式只是参考声速不同,但调制函数是互相等效的,验证了本文海底沉积物纵波波速理论关系的有效性。     

反演一维声阻抗的Sondhi-Gopinath 法

作者从一维波动方程反问题的数学模型出发,经拉氏变换,根据Sondhi-Gopinath法,导出了分布参数系统一维声阻抗反问题的解析式.该解是一个称为脉冲响应参量的函数,它可由地面观测波场和位移速度来确定.     

Application of VOF in Calculating Wave Energy Loss due to Spilling Breaker

- A large amount of experimental analysis and systematical theoretical calculation has been done by the authors to solve the problem of wave transformation and breaking, considering the effect of both current and topography, but only the wave energy loss due to spilling breaker in the surf zone has been discussed in this paper. Based on test result analysis and calculation with the Stream Function Wave Theory, the wave velocity field at breaking points has been obtained, and it is used to calculate the wave heights after breaking by the VOF (Volume of Fluid) method, in which the governing equations are continuity equation and Navier-Stokes Equation for imcompressible fluids. In the present paper, the improved VOF technique is used to calculate the wave heights of stable regular waves after breaking. Results fit the test data well, which shows that the VOF method is suitable to numerical simulation of regular waves after breaking. Besides, the breaker coefficient B of regular waves in the bore model is a