基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法

波动方程数值模拟是研究地震波传播机理的重要工具,有限差分求解波动方程是当前地震波数值模拟的主要方法之一。当地下介质中的地震波速度较低或地震波高频成分丰富时,常规有限差分技术常常产生严重的数值频散误差,这种误差会降低数值模拟的精度,影响对地震波传播机理的分析。为压制地震波数值模拟时产生的数值频散误差,提高波场模拟精度,提出了基于NAD算子的时间四阶精度波动方程差分格式。根据对应的差分格式,分析了该差分格式的数值频散关系。与常规四阶精度差分算法的频散曲线相比,基于NAD时间四阶精度差分方法不但能够实现时间频散的有效压制,同时其基于更多网格点的位移分量和位移梯度分量空间微分求解方法还能够实现空间频散的有效压制。另外在相同模型条件下,基于NAD算法的声波方程时间四阶差分解法可采用大网格对模拟空间进行差分离散,减少网格数,提高计算效率。     

利用FCT方法压制弹性波数值模拟中的数值频散

在基于波动方程的有限差分数值模拟中,会不可避免地出现数值频散（也称网格发散）问题。数值频散问题通常会给数值模拟的结果造成严重影响,因此在数值模拟中,应尽量设法消除这种现象。这里在前人的基础上,在基于各向同性介质的弹性波方程的数值模拟过程中,通过引入通量校正方法来解决数值频散问题。由数值模拟结果表明,该方法可以有效地消除数值频散现象,大大改善数值模拟的结果。     

优化交错网格差分算子的井间地震数值模拟及其频散分析

在井间地震有限差分数值模拟中,用离散化的高阶差分方程近似连续导数的波动方程时,不可避免地会产生数值频散,而数值频散程度则直接影响到地震波数值模拟精度,因此为了得到清晰准确的地震波场记录,必须尽可能地压制数值频散。这里在一阶速度应力弹性波方程的基础上,利用两个约束条件构造拉格朗日函数获取优化差分系数,与泰勒展开差分系数下的交错网格高阶差分模拟结果比较,发现改进的优化交错网格差分算子的高阶差分数值模拟能更有效地压制数值频散,进一步提高交错网格高阶差分数值模拟的精度,为高精度井间地震数据的波场成像、纵横波联合解释等提供可靠依据。     

基于LSCG法和波数补偿的频率域二维地震正演模拟方法

在地震勘探中,地震正演模拟是非常重要的技术。与时间域正演相比,频率域正演速度快,计算效率高。如何高效准确地完成频率域正演计算是目前该领域的一个重要问题。数值频散问题和如何提高计算效率降低求解分解阻抗内存占用量一直是频率域正演所需要解决的问题。与传统的直接法求解阻抗矩阵的频率域正演方法不同,本文采用最小二乘共轭梯度法(LSCG法)求解阻抗矩阵进行频率域正演,并提出了一种波数补偿的表达式来压制数值频散现象。经过简单模型和复杂模型的数值测试,采用最小二乘共轭梯度法(LSCG法)求解阻抗矩阵进行频率域正演能够有效降低计算时间,且采用波数补偿的频率域正演方法能够有效压制数值频散现象,提高波场模拟精度。     

可控源电磁场三维数值模拟中的散度校正方法研究

在可控源电磁场三维有限差分数值模拟过程中,低频时数值模拟的收敛速度变慢,导致获得精确结果的时间变长。引入电流密度的散度校正方法可以加快低频数值模拟时的收敛速度,提高解的精确性。笔者在研究可控源电磁场三维有限差分数值模拟算法的基础上,利用电流密度的散度为零,推导了散度校正公式并利用迭代解法实现了散度校正算法。模型试验表明,在低频时,散度校正能大幅度提高三维电磁场数值模拟的速度和精度,异常体规模越大,数值模拟的频率越低,散度校正的效果越明显。     

工程地震勘探数值模拟研究

用傅氏变换法求解波动方程,对工程地震勘探进行了数值模拟计算,并研究了该算法的频散特性及其稳定性。     

基于频率域高阶有限差分法的正演模拟及并行算法

在弹性波频率空间域有限差分数值模拟方面,差分网格及边界条件是影响弹性波模拟成功与否的关键,为了压制数值模拟中的网格频散,采用25点有限差分算子,建立了有限差分矩阵方程,且借鉴匹配层衰减边界条件思想,设计了弹性波频率空间域有限差分数值模拟算法。由于采用高阶有限差分法来提高差分格式的精度,将会导致计算量显著增加,为此,对频率空间域有限差分弹性波数值模拟方法,采用流水线技术与分治策略进行了并行算法研究,提高了计算效率,使得在合理的计算时间内更精确地模拟弹性波在弹性介质中的传播过程。     

弹性波数值模拟的混合边界与频散抑制

针对刚性边界条件、衰减边界条件与透射边界条件对弹性波场的影响及计算中产生的数值频散现象,将衰减边界与透射边界双重作用于人工边界,引入了混合边界条件,并在计算中采用了微量阻尼的方法,结果表明,混合边界条件能更好地吸收人工边界的反射;数值频散的阻尼算法能大大减弱由网格剖分、计算误差造成的频散现象。该方法可有效提高波场模拟精度。      

利用全概率方法分析岩土力学数值模拟结果的变异性

提出了一种用于分析在多参数随机情况下岩土力学数值模拟结果变异性的全概率方法。以特定数值模拟结果为随机隐式响应量,根据多维高效数值求积理论,计算出响应量特定函数的均值,利用快速傅里叶变换数值概率分析方法及笔者开发的最大熵分布,求解器软件一次性求解出响应量的全概率分布,用于定量评估数值模拟结果的变异性。算例表明该法具有精度和计算效率较高的优点。     

地质条件复杂地区瑞雷波勘探正演模拟

为研究复杂地质条件对瑞雷面波频散曲线的影响,采用有限差分地震数值模拟方法,对3种模型进行正演模拟,得出了某一时刻的波场快照与单炮记录。对模拟记录进行频散分析的结果表明:单层均匀介质没有频散现象;起伏地表两层均匀介质的频散曲线相速度只和介质本身的参数有关,不受地形的影响;水平地表含软夹层介质中,瑞雷波频散现象非常明显。      

地下水溶质运移数值模拟中减少误差的新方法

地下水中污染物运移的数值模拟方法一直是学界的研究热点问题.而如何减少与消除对流-弥散方程数值解中浓度陡锋面附近的数值振荡与数值弥散,更是研究的前沿与难点.提出了一种地下水溶质运移数值模拟中减少数值弥散的新方法.该方法的核心思想是在水动力弥散系数上加上一个数值弥散估算值,得到一个修正弥散系数,用其替代方程中有明确物理意义的水动力弥散系数进行计算.并提出了一个参数——数值弥散因子(μ_NDF),可以根据研究需要进行参数分区并适当调节该因子的大小,从而达到控制数值振荡,减小数值弥散的目的.从一维到二维的多个数值算例的模拟计算结果表明,该方法能在消除数值振荡的基础上,较好地减少数值弥散,达到满意的精度.     

天然源槽波勘探的可行性研究

常规炸药震源在高瓦斯矿井受到了十分严格的管制,迫切需要一种新型非炸药震源的槽波勘探方法作为替代。基于此,开展了矿井中天然源槽波勘探方法的可行性实验研究。通过理论分析和数值模拟实验,论证了煤层具备天然源槽波发育的地球物理基础。通过构建“三随机”天然源槽波模型,即震源的空间位置随机、震源初始激发时刻随机和震源的振幅随机,成功实现了天然源槽波的时间域数值模拟实验。采用相移法对天然源槽波数值模拟数据进行了频散谱计算,结果具有明显的频散特征。数值模拟实验结果证明了理论模型中天然源槽波的存在,且基阶和高阶形态均发育。在安徽淮南某煤矿工作面进行实测实验,成功采集到天然源槽波三分量数据,对实测数据进行频散谱计算,结果表明3个分量均具备频散特征,其中X分量频散曲线能量脊较为清晰,达到了验证天然源槽波存在的预期目标。总的来说,数值模拟结果表明天然源槽波的地球物理基础和形成机理是正确的,现场实验结果证明了天然源槽波在煤层中自然存在,该方法在矿井地质勘探中具有可行性和潜力。     

土柱变密度溶质运移试验推求水平及垂直方向弥散度研究

基于溶质运移对流弥散理论的变密度海水入侵模型广泛用于海水入侵研究,而水动力弥散系数是影响模型模拟效果的关键性参量之一。利用传统土柱溶质运移试验结合旁侧抽水,采用数值反演法成功获取了水平及垂直两方向弥散度。相对于传统方法,在不增加试验复杂度的前提下,同时推求了不同方向的弥散度,提高了试验效率,节约了试验成本,可广泛用于测定水动力弥散系数等参数。     

理想频散关系在地质雷达剖面正演合成中的应用

通过分析时域有限差分（ＦＤＴＤ）法的特点和高频电磁脉冲在Ｙｅｅ网格中的传播规律,导出了适于地质雷达正演的理想频散关系。该频散关系即考虑了ＦＤＴＤ法的收敛性和稳定性,也考虑了高频电磁波在Ｙｅｅ氏网格中的传播特点。数值试验表明,这一关系能有效压制频散现象,真实反映地质雷达波在地下介质中的传播规律。将之用于实际计算,取得满意效果。     

计算层状介质中轴对称柱面瑞利面波频散函数的δ矩阵法

笔者将δ矩阵法应用于计算层状介质中轴对称柱面瑞利面波的频散函数,得到了六阶δ矩阵法、五阶δ矩阵法、快速δ矩阵法3种方法,很好地解决了高频数值精度丢失问题以及高频数值溢出问题,并提高了计算速度,数值计算及工程应用验证了上述方法的有效性,且表明了这些方法也完全适用于平面瑞利面波频散曲线的求取问题。     

具有预见期的洪水演算方法研究

利用线性运动波方程数值解的数值扩散,在一定条件下可以模拟扩散波物理扩散的观点来建立洪水演算方法,是一条不同于通过槽蓄理论建立洪水演算方法的新途径.本文采用一种新的差分格式,导出了一种新的本身具有预见期的洪水演算方法,不仅给出了用数值扩散模拟物理扩散的条件,而且给出了保证计算成果稳定性的条件.提供的计算实例表明,该法可取得具有一定预见期的令人满意的预报成果     

A segregated flow scheme to control numerical dispersion for multi-component flow simulations

One of the challenges for reservoir simulation is numerical dispersion. For waterflooding applications the effect is controlled due to the self-sharpening nature of a Buckley–Leverett shock. However, for multi-component flow simulations, incorrect wavespeeds can develop leading to the excessive smearing of fronts because of the coupling of compositional dispersion with the fractional flow. Rather than implementing a higher-order discretization method, we propose a simple scheme based on segregation-in-flow within a gridblock to control numerical dispersion. We extend the method originally proposed for polymer flooding to augmented waterflooding simulations in general as well as simulations of miscible or near miscible gas injection. For compositional simulations of gas injection, this is done through a coupled limited-flash/upstream-exclusion assumption. To test the scheme, an in-house streamline simulator has been modified and validated for modeling low-salinity floods as well as ternary two-phase displacements. Simulation results presented with and without segregation demonstrate the potential of the approach as a heuristic method to control numerical dispersion in multi-component flow simulations.     

http://dx.doi.org/10.1016/j.gsf.2015.11.001

A new method, the characteristic finite element method(CFEM), was developed to simulate solute transport in a cross-fracture. The solution of this mathematical model for solute transport considered that the contribution of convection and dispersion terms was deduced using the single-step, trace-back method and routine finite element method(FEM). Also, experimental models were designed to verify the reliability and validity of the CFEM. Results showed that experimental data from a single fracture model agreed with numerical simulations obtained from the use of the CFEM. However, routine FEM caused numerical oscillation and dispersion during the calculation of solute concentration. Furthermore, in this cross-fracture model, CFEM simulation results predicted that the arrival time of concentration peak values decreased with increasing flux. Also, the second concentration peak value was obvious with the decrease of flux, which may have resulted from the convergence of solute concentrations from main, and branch, fractures.