波动数值模拟中透射边界的稳定实现

从波动能量在计算区内累积增大的观点出发,通过简单的一维弹性波模型,系统地阐明了在近场波动数值模拟中透射边界两类数值失稳--"高频振荡"和"零频飘移"的机理:前者源于对波动数值模拟无意义的高频波动在人工边界上的放大和波在有限计算区内多次反射产生的反复放大;后者则源于透射边界允许零频和接近零频的分量不断进入计算区. 由此提出了稳定实现透射边界的完整方案包括两项简单措施:第一,在全部计算区内按文中建议的方法注入小阻尼,以消除高频振荡;第二, 给出一种具有明确物理意义的消除零频飘移的算子算法. 最后,提供了三维波源问题和散射问题的详细数值试验结果.     

消除多次透射公式高频振荡失稳的一种措施

多次透射公式（MTF）物理概念简单,便于在计算机上实现时空解藕的高精度波动数值模拟。然而,MTF与其它局部人工边界条件类似,存在数值模拟失稳问题,如高频振荡便是可能出现的失稳现象。本文在分析MTF高频振荡失稳机理的基础上,提出了在波动有限元数值模拟中消除MTF高频振荡失稳的一种措施,即在整个有限元数值模拟区内施加与应变速率成正比的较小粘性阻尼;同时,讨论了这一稳定措施的有效性及其对数值计算精度的影响,并通过数值试验检验了这一稳定措施的可行性。结果表明,消除高频振荡失稳的措施行之有效,且只对波动有限元数值模拟中无意义的高频分量具有抑制作用,而对有意义的较低频段内的波动有限元数值模拟精度影响较小。     

透射边界高频失稳机理及稳定实现——P-SV波动

波动数值模拟的稳定性是获得可靠结果的前提.透射边界是一类具有高阶、高效等特点的人工边界,其引发的高频失稳是由内域格式和透射边界的不当耦合所致.本文针对P-SV波动有限元模拟中透射边界引发的失稳问题,基于GKS定理的群速度解释,通过对有限元和透射边界的频散分析揭示了数值失稳机理为透射边界和相邻内域格式支持了群速度指向内域的高频P波或SV波,波动能量将从边界进入内域引发数值失稳.同时,对比连续模型频散指出引发失稳的谐波是由有限元离散引入.本文采用修改的数值积分方法调整有限元刚度,以消除有限元中引发边界失稳的高频波动成分,从而稳定实现透射边界.理论分析和数值实验均表明本文稳定措施的有效性.

     

场地地震波动模拟中透射边界稳定性问题研究

本文对场地地震波动模拟中透射边界的稳定性问题进行了一系列研究。对已有的透射边界稳定措施做了比较分析,并给出了不同措施的适用性。结合粘弹性边界的物理模型提出了一个新的消除透射边界飘移失稳的措施,参考高频滤波的思路探讨了一种新的消除透射边界葛频振荡失稳的措施,并用数值试验验证了这两种新的透射边界稳定方法的有效性。将显式行限元一有限差分方法结合透射边界的数值解法的计算结果与解析结果作对比分析,验证这弹一套数值解法的计算精度。利用二维模型模拟了自贡土层和山脊地形的场地效应,利用显戈有限元一有限差分方法结合透射边界这套数值解法进行数值模拟计算,应用汶川地震的实示强震观测记录来验证这套数值解法对于实际地震波动模拟的有效性。     

波动的有限元模拟——基本问题和基本研究方法

本文以紧凑形式给出了可以直接用于波动有限元计算的透射人工边界公式。为了阐明离散化误差和由人工边界引起的振荡失稳的基本概念,作者利用简单的一维模型详细分析了波动有限元模拟中遇到的这两个主要问题。基于在离散和连续模型中波动规律差别的分析,首先研究了离散化误差。这一研究导致对可能实现波动有限元模拟的频段的识别,以及采用一种兼备有限差和有限元优点的集中质量离散模型的建议。根据波在人工边界的放大效应和在有限离散模型中多次反射的概念在频域内阐明了这一常见的振荡失稳的机制。在此基础上提出了在保证数值计算精度的条件下通过对人工边界附近节点运动的修正来消除振荡失稳的措施。本文还以一维模型为例给出了人工边界条件的稳定性准则。     

一种改善多次透射边界稳定性的措施

本提出在边界区设置粘性阻尼的方法，在保持多次透射边界精度的同时可以消除波动数值模拟中的高频振荡失稳现象，中就出平面波动情形分析了采取和未采取这一措施时多次透射边界的稳定性和精度，给出相应的稳定性条件，所得结果表明了这一方法的有效性，中的算例验证了分析结果。     

多次透射公式实用形式稳定性分析

本文以二维出平面波动方程为例,利用数值方法研究了多次透射公式的实用形式的稳定问题,结果表明：多次透射公式的实用形式与波动方程的集中质量显式有限元结合,不但存在零频漂移,而且同样存在高频振荡失稳,而与中心差分方法结合仅存在零频漂移失稳。     

弹性波数值模拟的延迟边界方法

在地震波场的波动方程数值模拟中,由于计算量的限制,必须加入人为的边界,使模拟计算可以在一定的空间范围内进行. 由于边界节点上的波场值不能像模拟区域内部的节点一样使用中心差分来计算,使其计算精度大大降低,从而产生边界反射. 为了消除边界反射,本文提出了延迟边界方法,根据弹性波在传播方向上等距离质点的等相位延迟性质和振幅衰减特性,由内部波场的时空分布,推算出边界波场的相位延迟的大小和振幅衰减系数,从而提高边界节点上的波场值计算精度,消除边界反射的产生.     

人工边界高频振荡失稳机理的一点注记

进一步完善了人工边界高频振荡失稳机理的解释. 解析证明了对于一维波动模型的离散模型, 当人工波速大于1.5倍的离散空间步距与时间步距的比值时, 则在某一高频段内, 其稳态波动解在人工边界上反射系数的模大于1的命题. 在此基础上对失稳的高频段作了进一步的讨论, 揭示了高频振荡失稳发生于对波动数值模拟无意义的高频段.      

离散网格中瑞利阻尼对波动的影响分析

在波动数值模拟中,瑞利阻尼可近似描述介质耗散特性,且可用于抑制人工边界引发的高频和零频失稳,但瑞利阻尼对波动的影响尚未清晰认识。针对集中质量有限元模拟的一维波动,利用傅里叶模态分析了有阻尼离散网格中波动的性质。理论分析表明alpha阻尼必然使得波数为零及邻近的波动对应为非行进波,其使行波衰减一致,而beta阻尼不会导致波数为零及邻近的非行进波,其使行波衰减随着波数增大而增大。数值实验验证了上述结论。本文研究结果为进一步推进瑞利阻尼在波动数值模拟中的应用提供一定的理论依据。     

透射边界高频耦合失稳机理及稳定实现——SH波动

就大型近场波动的高效数值模拟而言,稳定实现高阶人工边界是一个尚未圆满解决的问题.本文针对使用多次透射公式的SH波动集中质量有限元模拟,依据GKS定理的群速度解释,进一步阐明了人工边界与内域离散格式耦合所导致高频失稳的机理,即两者支持群速度指向内域的外行高频平面谐波,波动能量自发地从人工边界进入內域,从而导致失稳,而这类谐波是由集中质量有限元离散引入的.本文提出了消除此种耦合失稳的一种方法:通过修改有限元刚度阵来改变内域离散格式,并保证修改格式的精度不低于原有格式的精度.理论分析和数值实验表明此法能稳定实现透射边界.本文研究结果具有推广应用前景.     

Numerical instabilities of a local transmitting boundary

A local transmitting boundary is presented in a compact form, which can be directly incorporated into finite elements. The accuracy of the boundary is studied thoroughly for a one-dimensional model in order to clarify numerical instabilities introduced by the boundary. Discretization of the model and reflection from the boundary are rigorously considered in the study, and the mechanism of the instability is then illuminated in the frequency domain by the amplification of reflection from the boundary and the multi-reflection of wave motion in a finite computational region. Typical characteristics of the instability in the time domain are illustrated by numerical results of the simple model and explained completely by the mechanism. On the basis of this understanding of the mechanism, a modified transmitting boundary is devised and its stability criterion is given for the one-dimensional model.     

Analysis of high-frequency local coupling instability induced by multi-transmitting formula—P-SV wave simulation in a 2D waveguide

Local coupling instability will occur when the numerical scheme of absorbing boundary condition and that of the field wave equation allow energies to spontaneously enter into the computational domain. That is, the two schemes support common wave solutions with group velocity pointed into the computation domain. The key to eliminate local coupling instability is to avoid such wave solutions. For lumped-mass finite element simulation of P-SV wave motion in a 2D waveguide, an approach for stable implementation of high order multi-transmitting formula is provided. With a uniform rectangular mesh, it is proven and validated that high-frequency local coupling instability can be eliminated by setting the ratio of the element size equal to or greater than \(\sqrt 2 \) times the ratio of the P wave velocity to the S wave velocity. These results can be valuable for dealing instability problems induced by other absorbing boundary conditions.     

Time domain method for calculating free field motion of a layered half-space subjected to obliquely incident body waves

In numerical simulation of wave scattering under oblique incident body waves using the finite element method, the free field motion at the incident lateral boundary induced by the background layered half-space complicates the computational area. In order to replace the complex frequency domain method, a time-domain method to calculate the free field motion of a layered half-space subjected to oblique incident body waves is developed in this paper. The new method decouples the equations of motion used in the finite element method and offers an interpolation formula of the free field motion. This formula is based on the fact that the apparent horizontal velocity of the free field motion is constant and can be calculated exactly. Both the theoretical analysis and numerical results demonstrate that the proposed method offers a high degree of accuracy.     

完全匹配层吸收边界在孔隙介质弹性波模拟中的应用

模拟弹性波在孔隙介质中传播,需要稳定有效的吸收边界来消除或尽可能的减小由人工边界引起的虚假反射. 本文在前人工作基础上,首次建立了弹性孔隙介质情况下完全匹配层吸收边界的高阶速度-应力交错网格有限差分算法,并详细讨论了完全匹配层的构建及其有限差分算法实现. 首先,本文通过均匀孔隙模型的数值解与解析解的对比,验证所提出的数值方法的正确性;然后,本文考察了完全匹配层对不同入射角度入射波和自由表面上的瑞利波的吸收性能,将完全匹配层与廖氏和阻尼吸收边界进行了对比,研究了这三种吸收边界在不同吸收厚度情况下对弹性波吸收能力. 数值结果表明,在孔隙介质中,完全匹配层作为吸收边界能十分有效地吸收衰减外行波,无论对体波还是面波,是一种高效边界吸收算法.     

地震波数值模拟中差分阶数的边界效应

提出了声波正演数值模拟中计算网格间差分阶数(精度)的不衔接而引起的边界反射效应问题,采用不同中心网格有限差分法求解声波波动方程来验证.数值实例分析表明,同差分阶数间不存在任何边界效应,而当差分阶数较低且网格间差分阶数递变较大时,边界效应显著,通过缩小差分网格间的递变阶数并提高相应的离散阶数,可以有效压制该边界效应,并保...