对流扩散方程系数反演的改进遗传算法

在标准遗传算法的基础上,利用欧氏距离来判断个体之间的相似程度.通过竞争,相似程度高且适应度差的个体被淘汰, 并辅以随机交叉算子和随机变异算子, 构造出了一种改进的遗传算法.改进的遗传算法在迭代过程中既能有效保持群体的多样性, 避免出现局部极值, 提高遗传算法的内在并行性,又能通过竞争淘汰, 使搜索能力得到加强, 加快了搜索速度.实验表明,改进的遗传算法能有效的应用于对流扩散方程系数反问题的求解.     

一维对流-扩散试验各种边界条件及其统一形式解析解

黏土系材料广泛应用于各种污染防治工程,扩散系数是其关键参数之一,实验室一般通过拟合一维土柱对流-扩散试验数据来确定土的扩散系数。探讨了常用的零浓度边界、零浓度梯度边界和半无限边界对应的试验条件,给出了各边界条件的统一形式,通过引入变换式和辅助问题,求解得到各边界条件下统一的有限厚度土层中对流-扩散-吸附解析解,分析了各解析解之间的差异和用于数据拟合产生的误差。结果表明,每一种底边界条件都与土柱试验底部的实际情况相对应,柯西边界可看作各种边界条件的统一形式;土柱未被击穿时各边界条件解析解无差别;土柱击穿后,越靠近土柱底面,各种边界条件解析解计算结果差异越大,底面处浓度值随柯西参数 的增大而减小, 越大,代表底边界处扩散在溶质迁移中所占比例越大,同时底部浓度梯度越大;算例中对底部为半无限边界的试验数据进行拟合,若采用零浓度边界和零浓度梯度边界,计算结果分别偏大15%和偏小9%,根据土柱底部的对流-扩散比例和浓度梯度具体情况选择相应边界条件下的解析解,是保证数据拟合正确性的基本要求。     

解二维扩散方程的DuFort—Frankel差分格式

Ｄｕ Ｆｏｒｔ－Ｆｒａｎｋｅｌ差分格式是对Ｒｉｃｈａｒｄｓｏｎ格式进行修正得到的差分格式。本文将它从一维推广到二维,给出了二维Ｄｕ Ｆｏｒｔ－Ｆｒａｎｋｅｌ差分格式相容性所满足的条件,并严格论证了它的绝对稳定性。     

一种时间分数阶扩散方程初边值问题的隐式有限差分格式

通过Caputo型与G runwald型的分数阶导数的转化关系以及利用G runwald型的标准数值近似公式对Caputo型分数阶导数进行离散,可构建时间分数阶扩散方程初边值问题的隐式有限差分格式。此差分格式是无条件稳定和无条件收敛的。     

瞬时排放泥沙颗粒团在横流中对流扩散特性的实验研究

河道维护、航道开挖及疏浚等一些工程,常常将挖掘的泥沙抛入流动的水体中,利用横流对泥沙颗粒团的对流扩散作用来稀释泥沙浓度.针对这类工程进行水环境质量影响评价时,首先要识别泥沙的运动特性.通过实验手段,研究不同级配的泥沙颗粒团瞬时排放后在横流中迁移扩散混合特性.实验结果表明,泥沙颗粒团进入水体后,在浮力、重力、阻力和横流紊动的综合作用下发生对流扩散;横流是产生泥沙对流运输的主要动力,横流的紊动作用,加强了泥沙颗粒团与水体的混合作用,并且破坏了其在静水中的双漩涡结构,因此大大地增加了垂向前锋位置和纵向扩散宽度.通过分析得出了无量纲泥沙颗粒团垂向前锋位置与时间、纵向扩散宽度与时间以及垂向前锋位置与纵向扩散宽度的3个关系式中的参数(α₁、α₃和α₂)均值及其变化范围,可应用于抛泥对水体环境的影响评价.     

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。     

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。     

一种变网格差分的快速行进法

地震波旅行时精度直接影响着地震反演、叠前偏移成像、层析成像等各领域研究成果的可靠性,因此,研究如何提高地震波旅行时精度是很有意义的。在双重网格技术的基础上,引入一种基于变网格差分格式的快速行进法(FMM)计算地震波旅行时,通过正演模拟均匀模型、存在高速异常体模型、Marmousi模型来分析变网格FMM的优势及适用性。研究结果表明:均匀模型背景下,变网格FMM与双重网格FMM优势相当,但是在存在高速异常体模型背景下,双重网格FMM可能违背波前扩展的规律,从而导致较大的误差,而变网格FMM则不存在这样的问题; Marmousi模型试算验证了变网格FMM能适应各种复杂模型。因此,该方法是一种有效提高走时计算精度和效率的方法,不仅增强了FMM法的适用性,而且扩展了变网格技术的应用范围。     

电法测井的三维有限差分正演

研究了电法测井不同测量方式(井—地,地—井,井—井)下点源场井中电法的三维有限差分数值模拟。采用六面体网格剖分方式来对模型进行剖分,运用一维非零元素行压缩存储模式来存储系数矩阵,减少了内存需求和计算量;采用不完全 Cholesky 共轭梯度(ICCG)方法来求解线性方程组,提高了求解效率;编制了相应的程序实现了井—地、地—井、井—井、倾斜井条件下的电法测井三维有限差分数值模拟。设计的算例结果验证了该算法的正确性和效率性,并且分析了各种情形下的异常特征,为进一步的反演工作打下了基础。     

二维扩散输移问题的一种新的有限体积算法

从空间离散格式上比较了有限元格式与有限体积格式的异同处,证明有限体积格式是有限元格式的一种特例,有限元格式也是一种守恒型格式。并根据有限元格式与有限体积格式的比较,提出了一种新的高精度、稳定性好的有限体积格式。通过模拟非定常的纯对流方程和二维对流扩散方程,证明了有限体积格式的优点。     

Residual a Posteriori Error Estimates for the Mixed Finite Element Method

In this paper, residual-based a posteriori error bounds are derived for the mixed finite element method applied to a model second order elliptic problem. A global upper bound for the error in the scalar variable is established, as well as a local lower bound. In addition, due to the fact that the scalar and vector variables are approximated to equal order accuracy, the dual problem may be modified to give an upper bound for the vector variable. Some comments on estimating more general error quantities are also made. The estimate effectively guides adaptive refinement for a smooth problem with a boundary layer, as well as detects the need to refine near a singularity.     

解非光滑方程组的Newton-GMRES算法

给出了求解非光滑方程组的Newton—GMRES迭代法。该方法在求解半光滑方程组时，不需要计算广义Jacobi矩阵，同时使求解相应广义Newton方程组也变得容易。尤其对于大型问题，该方法特别适用。数值例子显示了这种方法的有效性。     

关于渗流有限单元法因时空离散而产生的误差讨论

应用有限单元法进行地下水模拟及管理,由于把本来连续的时间和空间离散化,因而会造成一定误差,有时这种误差是不容忽视的.通过计算实例,分析了不同的空间、时间离散格式而产生的误差,应用迭加原理及特征值有限单元法,将因空间和时间离散而产生的误差区分开来,并探讨了减小误差的方法.     

Error Estimates for a Time Discretization Method for the Richards' Equation

We present a numerical analysis of a time discretization method applied to Richards' equation. Written in its saturation-based form, this nonlinear parabolic equation models water flow into unsaturated porous media. Depending on the soil parameters, the diffusion coefficient may vanish or explode, leading to degeneracy in the original parabolic equation. The numerical approach is based on an implicit Euler time discretization scheme and includes a regularization step, combined with the Kirchhoff transform. Convergence is shown by obtaining error estimates in terms of the time step and of the regularization parameter.     

Permeability Estimation with the Augmented Lagrangian Method for a Nonlinear Diffusion Equation

We consider numerical identification of the piecewise constant permeability function in a nonlinear parabolic equation, with the augmented Lagrangian method. By studying this problem, we aim at also gaining some insight into the potential ability of the augmented Lagrangian method to handle permeability estimation within the full two-phase porous-media flow setting. The identification is formulated as a constrained minimization problem. The parameter estimation problem is reduced to a coupled nonlinear algebraic system, which can be solved efficiently with the conjugate gradient method. The methodology is developed and numerical experiments with the proposed method are presented.     

用改进的时间差分有限分析法模拟地下水非稳定井流方程

提出了一种改进的时间差分有限分析算法,它能够避免在求解水头剧烈变化时用一般有限分析法计算精度较差的缺陷.算法的稳定性好.     

椭圆型缓坡方程的高效求解方法

将一种十分有效的线性方程组的求解方法BI-CGSTAB推广用于复数域,并首次采用该方法求解了椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组,模拟了比较复杂的缓坡地形上的波浪变形。数值结果表明,BI-CGSTAB技术能快速高效地求解椭圆型缓坡方程,且其结果和前人采用其他方法求解椭圆型缓坡方程的结果相当一致,而BI-CGSTAB方法的收敛速度比其他方法要快得多。     

用有限元插值法计算区域重力异常

有限元插值法利用区域边界上的少量数据可计算区域重力异常。由于只有区域数据参与插值计算,其结果更准确。通过教学模型实验得出结论:在区域场近似二次或三次曲面的条件下,有限元插值法比最小二乘法计算的区域场更接近真实值。在某盆地的重力资料处理中,用有限元插值法分离出该区的局部重力异常.     

Double Porosity Finite Element Method for Borehole Modeling

Summary. This paper considers the mechanical and hydraulic response around an arbitrary oriented borehole drilled in a naturally fractured formation. The formation is treated as a double porosity medium consisting of the primary rock matrix as well as the fractured systems, which are each distinctly different in porosity and permeability. The poro-mechanical formulations that couple matrix and fracture deformations as well as fluid flow aspects are presented. A double porosity and double permeability finite element solution for any directional borehole drilled in the fractured porous medium is given. Compared with conventional single-porosity analyses, the proposed double-porosity solution has a larger pore pressure in the matrix and a smaller tensile stress in the near-wellbore region. The effects of time, fracture, mud weight, and borehole inclination in the double-porosity solution are parametrically studied to develop a better understanding of physical characteristics governing borehole problems.