伪随机激电法的有限单元法数值模拟研究

利用有限单元法和Cole-Cole模型对伪随机激电法进行数值模拟研究。首先简要介绍了伪随机激电法的基本原理,然后在忽略电磁效应的情况下,给出电场的边值问题和变分方程,将模型中大地和极化异常体的电阻率用Cole-Cole模型的参数替换,通过解方程最后得到模型节点上的复电位值。通过改变地电模型的参数,得到了不同参数下幅频率的模型相应曲线。模拟结果与实际情况符合,表明运用有限单元法模拟伪随机激电法中的参数是正确和适用的。     

双频激电法有限元数值模拟研究

利用有限单元法和Cole-Cole模型对双频激电法进行数值模拟研究。首先简要介绍了双频激电法的基本原理,在忽略电磁效应的情况下,给出了电场的边值问题和变分方程,将模型中大地和极化异常体的电阻率用Cole-Cole模型的参数替换,通过解方程,最后得到模型节点上的复电位值。通过改变地电模型的参数,得到了在不同参数下视幅频率和绝对相位的响应曲线。模拟结果与实际情况符合,表明该方法是正确和适用的。     

基于有限单元法的激电参数正演数值模拟

通过利用有限单元法模拟频率域激电法中的重要参数幅频率Fs和相频率Фs,研究Fs、Фs在三维地电条件下的激电响应特征。首先,在有限元方法中,使用六面体和四面体相结合的剖分单元,对大地模型进行离散,通过计算不同频率下的Cole—Cole模型复电阻率响应,替换模型中的体极化模型,最后模拟得到了频率域激电法中的主要参数。通过对比分析,证明了该方法程序简便、准确,也证明了相频率参数可作为一种有效区分时间常数不同的极化体方法。     

基于二次插值的线源可控源有限元数值模拟

在准静态近似条件下,采用矩形网格单元和双二次函数插值就频率域二维线源边值问题进行了有限元数值模拟。在二维地电条件下,给出了边值问题和变分问题,并通过有限单元法对模型进行单元剖分、插值、积分和整体合成,最后通过求解复系数方程组得到了地表视电阻率响应。引入伪delta函数模拟线源,消弱了源带来的奇异性。通过与均匀大地以及层状介质模型的解析解对比,平均相对误差分别为0.71%和1.12%。建立了两个异常体模型,数值模拟表明异常响应比较明显,为进一步实现三维可控源电磁法有限元数值模拟提供了基础。     

利用有限单元法模拟二维MT倾子响应

在二维地电模型中,考虑到大地电磁测深(MT)倾子响应依赖于横电(TE)模式的数值模拟问题,笔者采用矩形网格单元和双二次插值对MT的倾子响应进行求解。首先,给出了二维地电条件下的边值问题和变分问题,并通过有限单元法对模型进行单元剖分、插值、积分和整体合成;其次,通过求解复系数方程组得到了每个节点的电场值;最后,采用差分方法求得电场沿横向和垂向的偏导数值,从而计算出二维MT的倾子响应。通过对2个二维地电模型的倾子响应进行数值模拟,获得了倾子响应的实部、虚部和振幅,结果很好地反映了不均匀体的横向分布情况。     

各向异性介质中大地电磁场的异常特征

给出各向异性介质二维地电断面大地电磁场的边值问题以及等价的变分问题。对计算区域采用矩形网格中进一步三角细化的剖分方式并在三角单元内进行线性插值,解出有限单元法数值解。通过典型模型的正演模拟,得到大地电磁测深曲线,并与前人的研究工作对比,验证了该方法的有效性。     

三维地电断面激发极化法有限元数值模拟

用有限单元法求解三维地电断面激发极化法正演模拟算法.首先给出了三维构造中点源电场异常电位的边值问题与变分问题, 简化无穷远边界上的边界条件以提高计算速度及计算精度.以此为基础计算视电阻率对模型电阻率的偏导数矩阵, 并进行三维地电断面激发极化法正演模拟, 与等效电阻率法相比节约了计算时间.对几例较典型的地电模型进行计算, 结果表明本方法是正确可行的.      

三维地电断面电阻率测深有限元数值模拟

用有限单元法进行了电导率分块均匀的三维点源电场电阻率测深的数值模拟.首先给出了三维构造中点源电场的边值问题、变分问题; 然后, 用有限单元法求解变分问题, 将区域剖分成六面体单元, 在单元中进行三线性函数插值, 将变分方程化为线性代数方程组; 最后解方程组, 得各节点的电位值, 进而计算出地表的视电阻率.对几例较典型的地电模型进行试算, 结果表明本方法是行之有效的      

考虑IP效应的可控源电磁法电磁响应畸变分析

在野外观测的频率域电磁法的电磁场响应,不仅包含电磁感应响应也含有激发极化(IP)响应。为对IP效应引起的电磁场响应畸变进行分析,首先在纯电磁感应有限长导线源E_x、H_y、H_z电磁场响应表达式的基础上引入Cole-Cole模型,其次设置不同的地电模型,分别对含IP效应、纯电磁感应的有限长导线源频率域电磁法进行一维正演。通过理论模拟结果表明,加入IP效应后电磁场响应会产生畸变,随着极化层埋深的增加,响应畸变出现在更低的频率处,同时受IP效应的影响减弱。根据计算的最大相对异常值可知,水平电场E_x对极化层最为灵敏,而水平磁场H_y对深部极化层的反映能力最弱。     

适合地形起伏的二维有限单元数值模拟技术

在有限单元法矩形～三角形单元剖分的基础上,提出了适合复杂地形条件下的网格剖分方法:平行四边形～三角形剖分方法。计算结果表明,该方法具有快速、高效的特点。只要对原有程序稍加修改,即可实现对复杂地形条件下的复杂地电断面进行自动剖分和网格节点自动编号。因此,对于复杂地形条件下的地电模型,该方法能快速地实现较为精确的数值模拟。     

频率域海底电磁法三维正演研究

为了研究频率域海底电磁法在油气勘探中的可行性,根据海底电磁法的观测特点,建立海底三维地电模型,采用频率域FDTD三维正演模拟程序,计算不同参数时频率域电磁响应,获得了不同模型、不同频率下电磁场的响应。     

Stochastic finite element methods for the seismic response of soils

Some of the available stochastic finite element methods are adapted and evaluated for the analyses of response of soils with uncertain properties subjected to earthquake induced random ground motion. In this study, the dynamic response of a soil mass, with finite element discretization, is formulated in the frequency domain. The spectral density function of the response variables are obtained from which the evaluation of the root-mean-squared and the most probable extreme values of the response are made. The material non-linearities are incorporated by using strain compatible moduli and damping of soils using an equivalent linear model for stress–strain behaviour of soils and an iterative solution of the response. The spatial variability of the shear modulus is described through a random field model and the earthquake included motion is treated as a stochastic process. The available formulations of direct Monte-Carlo simulation, first-order perturbation method, a spectral decomposition method with Neumann expansion and a spectral decomposition method with Polynomial Chaos are used to develop stochastic finite element analyses of the seismic response of soils. The numerical results from these approaches are compared with respect to their accuracy and computational efficiency. © 1998 John Wiley & Sons Ltd.     

时域激电谱有限元数值模拟

在时域柯尔-柯尔模型的时变电阻率表达式和时域激电法视参数计算公式的基础上,采用数字滤波法和等效电阻率法进行时域激电谱的迭代有限元数值模拟.模拟程序能够模拟不同围岩条件下各种地质体在不同装置下的激电异常特征,结果以文件和图形的方式直接输出,可为激电法的分析提供大量的信息.     

起伏地形条件下FPS不同解释方法对比

固定点源激电测深(FPS)是一种有效的激发极化测深勘探方法,但在数据解释中,常规的定量解释法只适应较为简单的地电条件,在起伏地形条件下其解释效果会受到较为明显的影响。针对常规的定量解释方法所存在的不足与缺陷,这里从有限单元法正演模拟入手,采用最小二乘法进行反演计算,实现了在起伏地形条件下的对地电模型进行模拟计算,并将圆弧交汇-相对强度计算结果与最小二乘反演计算结果进行对比。结果表明:最小二乘反演方法能适应起伏地形对模型进行反演计算,其反演效果优于圆弧交汇-相对强度法计算结果。     

基于移动阵列电极的盾构超前探测正演响应分析

针对现有超前探测技术探测空间狭小、电磁干扰严重且难以应用于隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,简称TBM）施工隧道等难题,采用一种基于移动阵列电极的盾构超前探测方法。运用Comsol Multiphysics有限元仿真软件建立地电模型,对不同地质情况进行正演响应分析。结果表明:存在保护电极时,电压分布范围明显扩大,表明探测范围增大,为提高探测效果,有必要添加保护电极;异常体的尺寸、形状、位置改变会影响测量电压分布呈现规律性变化,表明这种方法对异常反应的响应良好;通过移动阵列电极盾构超前探测物理模型实验结果对比证明了基于移动阵列电极的盾构超前探测方法的可行性。      

黏弹性三维层状系统的动力谱单元的研究

将黏弹性材料的应力-应变关系和三维谱单元耦合起来,解决三维黏弹性层状体系受冲击荷载的动力问题。此算法将4参量 Burgers微分型本构黏弹性模型,方便地代入谱单元在频率内的波动解,再通过快速傅立叶变换得到时域内三维层状黏弹性体系的瞬态响应分析的结果。以3层路面体系为例,用此算法对其进行了脉冲荷载下的动力响应分析,与有限元的计算结果进行对比,二者吻合良好,同时又对弹性和黏弹性多种路面模型进行了动力分析和对比。     

应用高密度电法探测煤田陷落柱

本文讨论了高密度电法探测煤田陷落柱的若干问题。应用边界单元法模拟了陷落柱各种因素变化对地电异常的影响,并给出了陷落柱边界划分方法。针对矿区内严重的地电干扰,给出了数据采集及资料处理的技术措施。应用结果表明,高密度电法可有效地探测煤田陷落柱。     

Stochastic finite element modelling of water flow in variably saturated heterogeneous soils

Water flow is greatly influenced by the characteristics of the domain through which the process occurs. It is generally accepted that earth materials have extreme variations from point to point in space. Consequently, this heterogeneity results in high variation in hydraulic properties of soil. In order to develop an accurate predictive model for transport processes in soil, the effects of this variability should be considered. In this study a two‐dimensional stochastic finite element flow model was developed for simulation of water flow through unsaturated soils. In this model, the stochastic partial differential governing equation of water flow, obtained from implementation of the perturbation‐spectral stochastic method on classical Richard's equation, was solved using a finite element method in the space domain and a finite difference scheme in the time domain. The effective hydrological parameters embedded in the mathematical model depend on time derivatives of capillary tension head; this makes possible to consider the hysteresis due to large‐scale variability of soil hydrological properties. The model is also capable of simulating infiltration and evaporation events and rapid change in the land surface boundary condition from one type event to another, based on a scheme used in the model for implementation of land surface boundary condition. The model was validated with the data obtained from a layered lysimeter test. The model was also used to simulate water flow under a long irrigation furrow. The results obtained with this model show better agreement with experimental measurements in comparison with a deterministic model. The possible reason for this agreement is that in the developed model, the influence of the variability of the properties of soil and effects of parameter hysteresis on water flow and water content redistribution are considered. Copyright © 2010 John Wiley & Sons, Ltd.     

电阻率层析成像及演中若干问题的讨论

以双异性点电流源电流场二维地电断面为例，着重讨论了电阻率展析成像反演中有限单元法数值模拟边界条件的选择、网格剖分以及模拟精度等问题，同时也讨论了成像反演中最优化及演方法及拟合参数的评价等。文中提出的新的网格剖分方法和选择的边界条件可有效地提高计算速度和数值模拟的精度。