交错网格任意阶导数有限差分格式及差分系数推导

交错网格有限差分算法以其高效、精确、实用等优点在地震波数值模拟中得到广泛应用。目前交错网格有限差分的精度已达到时间4阶、空间2N阶;然而在求空间三次导数时,差分格式实际上并未达到所谓的2N阶精度,而是采用了低阶的差分格式及差分系数,这样有利于提高大尺度空间正演时的计算效率;但从计算精度的角度考虑,有必要推导出准确的满足2N阶精度的交错网格有限差分格式及差分系数,以得到更高精度的正演结果。笔者利用Taylor公式展开首次推导出了可导函数任意次导数的任意偶数阶精度的差分近似式及相应的差分系数,从而完善了常规高精度交错网格有限差分算法。采用新推导的交错网格有限差分格式得到的正演波形与解析解进行了对比,证明了新推导的差分格式的正确性,并与常规差分格式的正演波形进行了比较,结果显示,新推导出的交错网格有限差分格式模拟结果稳定性好,精度更高。     

基于常Q模型的分数阶粘弹介质数值模拟方法

基于常Q模型的解耦分数阶拉普拉斯算子粘滞波动方程,可以分开模拟振幅衰减和相位错动。但该方程拉普拉斯算子的阶数是随空间变化的,因此数值求解存在一定困难。这里基于截断的泰勒展开,经过一系列近似,推导出拉普拉斯算子的阶数与空间无关的解耦分数阶粘滞弹性波动方程。采用中心差分计算时间导数,使用交错网格伪谱法计算空间导数。数值算例表明,新的方程在处理非均匀介质时具有精度高,计算简便的优点。     

烃类垂向微渗漏过程的积木块模型及差分格式

这里提出以代表质量守恒的反应对流扩散方程作为主控方程的烃类垂向微渗漏方程组的差分格式,即双向一维分裂校正差分格式,并建立地层积木块模型对该格式的边界进行讨论。差分格式是预估～校正差分格式的一种改进形式,它融合了Crank-Nicolson格式、交替方向隐格式、预估～校正差分格式的特点,具有二阶差分精度,且无条件稳定。由于差分格式将每一步都归结为求解三对角线方程组,因此适合并行运算。数值实验表明,应用差分格式的数值模拟结果符合烃类垂向微渗漏过程的理论模型,可作为烃类垂向微渗漏过程分析的计算方法。     

求解渗流问题的高精度差分格式

在求解渗流问题的传统差分格式中,只有Crank Nicolson格式具有对时间t的二阶精度。本文在导数超收敛点概念的基础上,提出一种求解渗流问题的三阶精度差分格式,并将其与显式差分格式叠加形成组合差分格式以改善格式的稳定、收敛条件。算例计算结果表明,该组合格式具有精度高,稳定收敛限制宽松,易于编程等优点      

二维分数阶对流-弥散方程的数值解

对二维时间分数阶对流-弥散方程和二维空间分数阶对流-弥散方程分别建立了差分格式,实现了对其的数值求解。针对理想算例进行计算求解,分析了时间和空间分数阶阶数取不同值时的扩散变化规律,验证了各自所描述的时间相关性与空间相关性。同时与传统的二维整数阶对流-弥散方程的求解结果作了对比。当时间和空间分数阶阶数α与γ分别取整数时,二维时间分数阶对流-弥散方程和二维空间分数阶对流-弥散方程都与传统二维整数阶对流-弥散方程的计算结果相同,说明提出的对二维分数阶对流-弥散方程的数值求解方法是可行的。其结果对地下水溶质运移的进一步研究提供了有效的手段。     

基于分数阶Kelvin模型的饱和黏土一维流变固结分析

引入基于Caputo分数导数的弹壶元件修正Kelvin模型,以描述饱和黏土的一维流变本构关系。沿用Terzaghi饱和土一维固结理论的假设推导流变固结方程,引入Laplace变换和基于Fourier级数展开的Laplace数值逆变换解法进行数值求解。通过与基于整数阶导数模型解析解的对比,证明数值解法的有效性。通过对文献中一维流变固结试验结果的模拟,验证修正Kelvin模型的适用性。然后分析弹壶元件中分数导数阶数和黏滞系数对地基流变固结进程的影响。计算结果表明,在固结开始相当长的一段时间内,孔隙水压的整体消散速度要快于Terzaghi一维固结理论,但在固结后期则会慢于后者;而且在整个固结过程中,地基沉降速率都要慢于后者。总体来看,地基沉降滞后于孔压消散,并且分数导数阶数越小或黏滞系数越大,这种现象就越明显,而且沉降稳定需要的时间越长。     

交错网格高阶差分算法的改进

利用Taylor公式展开导出了交错网格中可导函数任意次导数的任意偶数阶精度的差分近似式及相应的差分系数,从而改进了常规高精度交错网格有限差分算法中对各个空间导数采用不一致精度的问题。采用推导的交错网格高阶差分算法对一阶弹性波动方程进行数值模拟,得到了精确的数值模拟结果,证明了推导的交错网格高阶差分算法的正确性。     

一种分析软土黏弹性的分数导数开尔文模型

软土是一种黏、弹、塑性材料,采用分数微积分模型来研究软土的蠕变规律目前尚未见到。选取了珠江三角洲南沙地区典型软土作为研究对象,在对其进行大量相关试验的基础上,采用含分数阶导数的开尔文模型来模拟该地区软土的蠕变规律,讨论了含分数阶导数的开尔文模型的蠕变柔量和松驰模量及其应用。与传统的开尔文模型相比较,分数阶导数的开尔文模型可以更好地拟合蠕变曲线,而且其形式简单、统一,在计算过程中需要调整的参数很少。可以预见,含分数阶导数的开尔文体在软土的流变本构研究领域及其计算中将有着广泛的应用前景。     

基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型研究

针对锦屏二级水电站深埋长大隧洞围岩在开挖过程中呈现明显的流变劣化特征,基于分数阶微积分理论,用Abel黏壶替换西原模型中的牛顿黏壶,推导出基于分数阶导数的蠕变本构方程,同时考虑岩石在蠕变过程中,尤其是所受应力超过其长期强度时,蠕变参数是非定常的特征,把蠕变参数的非定常性引入本构方程中,建立了基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型。结合锦屏二级水电站引水隧洞主要围岩之一的大理岩的室内剪切蠕变试验的结果,对模型中的参数进行反演,结果表明,基于分数阶导数的非定常蠕变本构模型能够在蠕变初期和拐点处与试验结果很好地吻合,并且可以克服西原模型不能反映蠕变第3阶段的不足。通过对模型中参数的敏感性进行分析,得出分数阶阶数、非定常参数对岩石蠕变的影响规律。研究结果表明,提出的基于分数阶导数的非定常蠕变模型能够很好地反映大理岩的蠕变全过程。     

分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结半解析解

将分数阶微积分理论引入Kelvin-Voigt本构模型,以描述黏弹性饱和土体的力学行为。对饱和土体一维固结方程和上述分数阶导数Kelvin-Voigt本构方程实施Laplace变换,联立求解得到变换域内有效应力和沉降的解析解。采用Crump方法实现Laplace数值反演,从而获得了物理空间一维固结问题的半解析解,并将其退化到弹性和黏弹性两种经典情形,分析表明,它与经典解析解完全相同,这证明了经典弹性和黏弹性解析解可视为本研究提出分数阶导数黏弹性解的特例。开展了参数研究,即分析了相关各种参数对固结沉降的影响。研究表明,瞬时荷载情形下分数阶导数黏弹性饱和土体一维固结最终沉降量与黏滞系数和分数阶次无关,而不同黏滞系数和分数阶次对固结时间有较大影响。其研究结果有助于深入认识黏弹性饱和土体的固结力学行为。     

Using a shifted Grünwald-Letnikov scheme for the Caputo derivative to study anomalous solute transport in porous medium

We propose an extension of the shifted Grünwald-Letnikov method to solve fractional partial differential equations in the Caputo sense with arbitrary fractional order derivative α and with an advective term. The method uses the relation between Caputo and Riemann-Liouville definitions, the shifted Grünwald-Letnikov, and the traditional backward and forward finite difference method. The stability of the method is investigated for the implicit and explicit scheme with homogeneous boundary conditions, and a stability criterion is found for the advective-dispersive equation. An application of the method is used to solve contaminant diffusion and advective-dispersive problems. The numerical solution for the fractional diffusion and fractional advection-dispersion is compared with their respective analytical solutions for different time and space grid refinements. The diffusion simulation exhibited a good fit between the analytical and numerical solutions, with the explicit scheme going from stable to unstable as the time and space refinement changes. The fractional advection-dispersion application produced small deviations from the analytical solution. These deviations, however, are analogous to the numerical dispersions encountered in conventional finite difference solutions of the advection-dispersion equation. The new method is also compared with the traditional L2 method. Notably, an example that involves asymmetrical fractional conditions, a fractional diffusivity that depends on time, and a source term show how the methods compare. Overall, this study assesses the quality and easiness of use of the numerical method.     

分数导数模型描述的饱和土桩纵向振动分析

土体具有黏弹性性质,为了更好地考虑饱和土体固相土骨架的黏弹性性质,在分数导数理论和多孔介质理论的基础上,将土体视为液固饱和两相介质,并利用分数导数模型来描述饱和土固相土骨架的应力-应变关系,建立分数导数模型描述的饱和土的控制方程。在三维轴对称情况下,利用势函数和分离变量法研究了分数导数模型描述的饱和土中桩的振动问题。分析了模型参数对饱和土中桩的竖向振动的影响。研究表明,分数导数模型描述的饱和土的控制方程应用范围更广,模型参数对桩的竖向振动有较大的影响。     

A high-pressure experimental study on the evolution of the silicic magmatism of the Main Ethiopian Rift

In this contribution we report the results of an experimental study that investigated equilibrium and fractional crystallization of hydrous, transitional alkaline basalt at low oxygen fugacity, under lower to middle crustal conditions to constrain the generation of subaluminous and peralkaline differentiation products that typically occur in rift systems. The experiments reveal that liquids produced by equilibrium crystallization in the range 0.7–1 GPa cannot cross the subaluminous/peralkaline compositional divide. In contrast, fractional crystallization experiments under isobaric and polybaric conditions approach closer the naturally observed trend from subaluminous to evolved peralkaline products suggesting that polybaric differentiation starting at elevated pressures can indeed lead to the transition from subaluminous to peralkaline derivative liquids. The presence of water in the parental magmas of silicic derivative products is of prime importance for the fractionation equilibria as well as for the mobility of such magmas toward shallow crustal levels.

We suggest that peralkaline magmas in rift environments are indicative for differentiation under relatively low oxygen fugacity conditions in an extensional environment characterized by a high degree of crustal fracturing that allows rapid upward migration of mafic parental magmas and formation of shallow magma reservoirs. Crystallization–differentiation of parental, hydrous transitional alkaline basalt in such reservoirs is controlled by low pressure phase equilibria that typically evolve through early saturation of anorthite-rich plagioclase and suppressed amphibole crystallization resulting in ‘low-alumina’, peralkaline derivative liquids.     

具有球形空腔饱和土分数导数 黏弹性土的动力特性

将土骨架视为具有分数阶导数本构关系的黏弹性体,基于Biot两相饱和介质模型,建立具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体稳态振动的控制方程。通过引入势函数,得到球对称情形下具有球形空腔饱和分数导数黏弹性土体的位移、应力和孔隙流体压力等解析表达式。考察分数导数模型参数和饱和土参数等对土体振动特性的影响,结果表明,流体压缩性对饱和土体的动力特性有显著影响,而土骨架压缩性和流-固耦合系数的影响相对较小;分数导数阶数对土体动力特性的影响与材料参数比的取值有关。同时,边界不排水条件下饱和土体的动力响应大于排水条件下饱和土体的动力响应。     

岩石蠕变的非定常分数伯格斯模型

型的伯格斯（Burgers）模型只能描述岩石第3期以前的蠕变规律。分数单元利用分数阶导数定义,是一种介于弹簧和黏壶的力学元件。用分数单元代替伯格斯模型中并联的黏壶,给出分数伯格斯模型。为了描述加速蠕变阶段,把分数伯格斯模型中串联的黏壶看成与时间有关的非定常参数,给出非定常分数伯格斯模型及相应的本构方程和蠕变柔量。串联的非定常黏壶关闭、开启时,模型分别适合描述前两期和包含第3期在内的蠕变规律。用模型拟合不同应力下的蠕变试验数据,都可给出较好的描述,说明非定常分数伯格斯模型能够很好地描述蠕变曲线中的初始衰减蠕变阶段、稳态蠕变阶段和加速蠕变阶段,证明了该模型的正确性和合理性     

A triaxial creep model for deep coal considering temperature effect based on fractional derivative

Acta Geotechnica - A triaxial creep model for deep coal considering temperature effect based on fractional derivative is proposed for the condition of triaxial stress state. In order to study the...     

具有分数Kelvin模型的粘弹性岩体中水平圆形硐室的变形特性

在忽略体积变形的情况下进行水平图形硐室变形特性研究,建议采用分数代数Kelvin本构关系模拟岩体的粘弹性,提出了一种分析粘弹性岩体中水平圆形硐室变形特性的新思路,讨论了硐室位移及应变随时间变化的规律并与经典的Kelvin模型进行了比较。从分析的结果表明,分数代数能很好地模拟出粘弹性体松驰特性,通过改变分数代数的阶数又可以模拟各种粘弹性岩体、比经典粘弹性模型具有更大的适用范围。     

矿井地质雷达超前探测正演模拟

用时间域有限差分(FDTD)法建立矿井地质雷达的模型。采用理想频散关系和超吸收边界条件,对几个典型矿井地电模型进行了正演模拟,研究了矿井地质雷达超前探测的剖面特征。巷道对各道直达波能量分布及波列形状有明显影响;煤岩分界面主要影响反射波能量分布。