离散网格中的弹性波动(Ⅲ)——时域离散化对波传播规律的影响

本文采用一维模型分析了时域离散化后有限元离散网格中波动的基本特征。文中讨论了时域离散化对波动的频散、截止频率及寄生振荡的影响,分析了由时域离散化引起的在频率域及由空间离散化引起的在波数域波动解的多重分支现象,并指出在研究中应取其基本分支。文中也给出了考虑时间步长影响的有限元离散化准则。研究结果表明,从模拟连续模型的精度上看,时域离散化使集中质最有限元法优于一致质量法,前者可取较大时间步长。从计算精度、容易程度及经济性各方面衡量,集中质量法均比一致质量法可取。本文的工作不但对波动有限元模拟的参数选取有指导意义,同时也是分析时域人工边界稳定性的基础工作之一。     

轴对称有耗介质电磁问题的时域有限元方法

从Ｍａｘｗｅｌｌ方程出发推导出非均匀介质中含时间的Ｇａｌｅｒｋｉｎ能量泛函的弱化公式,然后应用线性插值原理得到普通的二阶常微分方程。采用中心差分离散,并引入一个比例因子　,分离时间与空间变量,得到了随时间步长变化的递推迭代公式,从而将差分与有限元方法相结合,并对非均匀介质中时域有限元的稳定性进行了讨论,给出了其稳定性条件。在均匀无耗介质和有耗介质中,用单匝磁偶极天线的瞬态响应的时域有限元数值计算分别与现有文献作了比较,给出轴对称非均匀介质中有井眼的瞬态测井响应。     

自适应时间步长法及三维堤坝地震液化数值模拟

三维大模型数值计算因巨大的单元和结点数目而非常耗时,在地震响应分析中受计算时间步长的限值则更加耗时。在饱和砂土动力液化计算平台上开发时域离散误差评估方法和时间步长自适应调整的计算程序,并成功应用于三维堤坝地震液化响应分析。时域离散误差包括土骨架的位移误差和单元孔压误差,通过定义孔压误差影响系数计算出混合误差,根据混合误差和设定的误差允许值进行计算步长的自适应调整。在三维堤坝地震液化数值模拟中,采用自适应时间步长法有效避免小步长精确但耗时、大步长省时而不精确的缺点。在大模型和超大模型计算中,最优调整每一步的计算时间步长,完美实现既节省时间又不失精度的时域离散策略。     

三维时间域航空电磁有理Krylov正演研究

常规的三维时间域航空电磁模拟通常采用隐式步长方法进行时间离散,需要几次矩阵分解和上百次右端源项回带,计算效率较低.为了提高正演计算效率,本文提出使用有理Krylov方法求解时间域电场扩散方程.首先使用非结构四面体网格进行空间离散,采用Nédélec矢量基函数近似四面体单元内的电场;然后基于有限元离散给出矩阵指数和矢量乘积表示的电场显式解;最后采用有理Arnoldi算法构造Krylov子空间内的正交基函数并进一步求解矩阵指数与矢量的乘积,直接得到任意时刻的电场解向量,避免步长离散过程.此外,本文还提出一种指数加权偏移参数优化方法,使得有理Arnoldi近似在瞬变衰减晚期具备更高的精度,从而降低Krylov子空间阶数并提高计算效率.通过和层状模型解析解的对比验证了有理Krylov方法的精度.针对三维异常体模型使用全局网格和局部网格剖分并和其他数值方法比较,进一步说明了有理Krylov方法的有效性.     

基于瞬时电流脉冲的三维时间域航空电磁全波形正演模拟

传统时间域航空电磁全波形正演模拟主要采用间接法(褶积算法)和直接法(时域有限差分方法等),然而褶积算法需要获得精确的电流二阶导数,这给发射电流数据采集工作带来极大挑战;时域有限差分方法受到网格和时间步长的严格限制,缺乏灵活性.为解决这些问题,本文采用时域有限元方法,通过直接改变每个时间道上的瞬时电流强度模拟任意发射波形的电磁响应.由于无需计算电流二阶导数,大大提高了正演结果的精度.利用基于非结构四面体网格的矢量有限元方法和后推欧拉技术对时间域电场扩散方程进行空间和时间离散,实现三维航空电磁时间域全波形的直接正演模拟.由此不仅可以模拟复杂的地电结构,而且基于后推欧拉法的无条件稳定性,可以更加灵活地选取时间步长,提高计算效率.通过与1D数值模拟结果进行对比验证了该方法的准确性.本文对三维柱状体模型上HELITEM MULTIPULSE和VTEM系统实际发射波形电磁响应进行模拟,并与褶积算法的结果进行比较,验证了本文算法模拟实际发射波形电磁响应的优越性.对复杂三维地质体模型上不同发射波形电磁响应进行模拟,验证了时间域有限元算法可有效处理复杂地下地质结构.     

自适应时间步长法在土体冻结水热耦合模型中的应用

由于相变的存在,土体冻结过程中的温度传导与水分迁移是一个复杂的物理过程。为了更好地描述冻结过程中水分与温度的变化规律,通过对不饱和土体水分传导方程的研究,考虑冻结过程中的相变,建立了一维冻土水热耦合模型。给出了相应的差分与有限元程序,并对室内冻结实验进行了模拟。提出误差因子的概念,通过对程序计算中时间步长与计算用时、误差关系的分析,论证了进行时间步长优化的必要性。在两种不同数值方法的对比中,体现了有限元计算的稳定性。提出了调整后的自适应时间步长计算方法。计算结果表明,优化时间步的自适应步长法,在不影响模型计算准确度的前提下,可以大幅减少计算用时,提高计算效率。     

求解运动方程的一种不等时间步长的显式数值积分方法

在波动有限元模拟中, 若采用传统的显式数值积分方法求解运动方程, 计算时间步长需采用计算区内满足稳定条件要求的最小时间步长. 然而, 对于大部分计算区域, 这一时间步长过小, 是不必要的. 本文提出了一种不等时间步长的显式数值积分方法, 其基本思想是不同的计算区域采用满足各自稳定条件的计算时间步长. 最后, 本文通过数值试验检验了这一方法的可行性及其对数值计算精度的影响.      

有限元离散模型中的出平面运动形式

波动在有限元离散模型中传播时,会出现许多不同于连续介质中波动的现象.本文引用经典物理学中晶格动力学的分析方法,由有限元离散形式的出平面波动方程得到频散关系,在此基础上,讨论了集中质量有限元模型中各种可能的出平面运动形式,并分析了考虑时域离散化影响下各种形式可能存在的频率范围.     

两相介质波动问题显式有限元方法稳定性研究

基于动力反应递推计算格式传递矩阵的性质,进行了饱和两相介质波动问题时域显式有限元方法稳定性问题的研究。定义了综合考虑各种影响因素的稳定性判别指标——传递因子;研究了稳定性影响因素,包括时间步长、空间步距和渗透系数取值的作用规律;给出了方法稳定性的实用判别准则。研究结果表明:时间步长、空间步距和渗透系数取值都对饱和两相介质波动问题的时域显式有限元方法的稳定性有较为显著的影响。随着时间步长的增大,方法的稳定性降低;随着空间步距的增大,方法的稳定性增加;当渗透系数取值增大时,方法的稳定性增加。     

瑞利阻尼介质有限元离散模型动力分析的数值稳定性

本文针对几种有一般阻尼的动力系数数值积分的显式方法，讨论了阻尼对稳定性的影响，并建议了瑞利阻尼介质有限元离散模型中动力分析数值稳定性的实用稳定判别方法。     

计算断层自发破裂过程的离散网格划分研究

离散化网格的空间步长选取在各种数值算法中都是一个很受关注的问题,在全空间均匀介质模型和简单离散化方案下,利用边界积分方程方法研究在自发破裂求解过程中动力学参数组合Dc和Te (Dc为临界滑动弱化位移,Te为有效的断层破裂面上的初始应力)对计算网格划分的影响,初步得到了Dc和Te参数空间中的有效计算网格的选取规律,对合理、有效地运用边界积分方程方法计算地震震源的破裂过程具有重要的指导意义.      

起伏海底地形时间域海洋电磁三维自适应正演模拟

本文基于自适应非结构有限元算法实现海洋电磁起伏海底地形三维正演模拟.通过采用隐式后推欧拉时间离散技术,保证在较大的时间步长条件下获得正确结果.为获得多时间道海洋电磁正演模拟的有效网格,我们采用基于法向电流连续的后验误差估计的自适应方法和网格融合技术;同时为了控制网格数量和保证正演模拟稳定性,我们还在网格融合过程中应用了随机网格挑选技术.对于方程组求解我们使用MUMPUS直接求解器.当时间步长不变时,只需对系数矩阵进行一次分解,大大提高计算速度.将本文计算结果与半空间模型解析解进行对比,验证了本文算法精度.针对海洋电磁半拖曳式和双船拖曳式工作方式,我们通过典型模型的模拟计算,研究海底地形影响及海底高阻层识别特征.     

基于非结构有限元的时间域海洋电磁三维反演

海洋电磁法是一种有效的钻前储层评价手段,可识别出海底构造是否储油气,从而减少干井率降低勘探成本.近年来,频率域三维海洋电磁反演得到了快速发展,但受到空气波的影响,其在浅海环境中无法取得很好的效果.为解决这一问题,本文研究时间域海洋电磁数据三维正反演.正演模拟和计算中,我们选择基于非结构网格的矢量有限元方法.该算法中空间离散采用非结构四面体网格,可很好地拟合复杂海底地形条件和地下复杂结构;而对于时间离散,我们采用无条件稳定的后推欧拉方法,以确保任意时间步长数值计算的稳定性.反演计算中,灵敏度信息采用伴随正演隐式进行计算;同时,依据时间域反演方法的特点采用L-BFGS方法计算模型修正量.通过利用合成数据反演结果证明了本文提出的三维时间域反演方法可用于复杂海底环境,特别是在浅海环境下的有效性.     

稳态SH波动的有限元模拟

将离散的局部透射边界与集中质量有限元方法相结合, 以模拟无限介质中的稳态波动。这种结合使有限元模型中的任一节点与其它节点(除邻近节点外)解耦, 从而使高效率的高斯消去法得以实施, 大大减少了计算机内存和计算时间。首先, 针对成层弹性介质中的稳态SH波动, 详细讨论该方法的列式及其计算精度;然后, 介绍如何减少计算机内存和计算时间的具体算法;接着以若干简单例子说明该方法的具体实施过程;最后, 简要讨论了需要进一步研究的若干问题。      

接地长导线源半航空瞬变电磁三维有限体积正演

基于有限体积法开发了长导线源半航空瞬变电磁三维正演方法.首先将均匀半空间产生的背景场和异常体产生的异常场进行电磁场分离,可获得双旋度方程,后采用有限体积法在控制体积内进行积分,可得到控制方程,对该控制方程采用交错网格离散,时间离散采用后向欧拉离散,离散后形成半航空瞬变电磁三方向离散方程,系数矩阵根据Yee网格尺寸和控制体积尺寸进行计算,根据时频转换可得到接地长导线源半航空瞬变电磁背景场,选用PARDISO直接求解器对方程进行求解,其中迭代时间步长逐渐递增,以降低时间步长对正演效率的制约,任意点电磁场采用对角体积加权平均的方法进行插值.最后,选用均匀半空间模型和层状模型进行精度验证,并采用山峰、山谷、山峰山谷混合三类模型分析了接地长导线源半航空瞬变电磁的响应规律,结果显示开发的程序可用于半航空瞬变电磁勘探,可为半航空瞬变电磁数据解释的发展提供理论指导.     

离散网格中的弹性波动(Ⅰ)

本文提出了振动传递函数的概念,基于这一概念系统地阐述了一维离散网格中弹性波的频散、截止频率、寄生振荡等现象以及这些现象之间的联系。文中指出了在扰动源附近节点出现频率大于截止频率的寄生振荡的可能性,以及离散步距△x的选取必须明显强于群速度为零的条件,以保证离散计算的精度。文中还讨论了弹性波在非均匀网格中的反射和透射现象,提出了不同介质分界面两侧最佳的离散化方案,即两介质中离散步距之比等于波速之比。文中指出在同一介质中局部加密网格不能达到提高波动计算精度的目的,而在联结非均匀网格的过渡区内离散步距的合理选取可以大大减小离散化的误差。本文结果对波动问题高维有限元计算具有启发意义。     

地震波动方程的局部间断有限元方法数值模拟

近年来,随着地震波数值模拟对计算精度和效率的要求越来越高,间断有限元方法开始受到越来越多的关注.本文中,针对具有吸收边界条件的二维地震声波波动方程,作者提出了一种基于局部间断有限元方法的数值模拟算法.该算法在空间上使用局部间断有限元方法进行离散,在时间上采用了显式蛙跳格式.在这种时空离散的组合方式下,每个时间步上,此算法在空间剖分的每个单元上的求解计算是相互独立的,因而具有极高的并行性.通过数值算例,我们将该算法与连续有限元方法进行了比较.结果表明,本算法不仅具有对起伏构造的良好适应性,而且在计算效率和计算精度等方面,都具有优越性.     

基于WNAD方法的非一致网格算法及其弹性波场模拟

加权近似解析离散化(WNAD) 方法是近年发展的一种在粗网格步长条件下能有效压制数值频散的数值模拟技术. 在地震勘探的实际应用中, 不是所有情况都适合使用空间大网格步长. 为适应波场模拟的实际需要, 本文给出了求解波动方程的非一致网格上的WNAD算法. 这种方法在低速区、介质复杂区域使用细网格, 在其他区域采用粗网格计算. 在网格过渡区域, 根据近似解析离散化方法的特点, 采用了新的插值公式, 使用较少的网格点得到较高的插值精度. 数值算例表明, 非一致网格上的WNAD方法能够有效压制数值频散, 显著减少计算内存需求量和计算时间, 进一步提高了地震波场的数值模拟效率.     

基于时间辛格式的傅里叶有限差分地震波场正演（英文）

地震波场正演模拟是地震资料处理、解释中最为重要的技术之一。地震波场正演模拟在大时间步长、长时程的波场延拓中,存在计算不稳定的问题。本文基于声波方程的Hamilton表述,在波动方程求解中用辛差分格式进行时间网格离散,用傅里叶有限差分进行空间网格离散,提出一种新的保结构地震波场正演模拟方法一辛格式傅里叶有限差分法,在保证计算精度的同时提高计算的稳定性。利用声学近似处理空间-波数混合域的积分算子,将该方法推广至各向异性介质。给出各向同性和各向异性条件下的地震正演模拟的计算流程,并将本文方法用于BP盐丘、BP TTI等模型的波场正演模拟。数值算例表明本文开发的方法适用于速度变化剧烈的复杂介质地震波场正演模拟,计算精度高,数值频散小,在各向异性介质正演中能够有效避免qSV波残余,在大时间步长的迭代计算中稳定性好。本文为在辛算法的框架下实现高精度地震正演模拟提供了一种新的选择。     

波动方程模型和偏移的拟合解法

本文提出一个较差分法精确的波动方程的数值解法--拟合法,拟合法与差分法的区别在于方程的离散化方法.文章通过对差分离散化实现过程的分析指出差分离散化存在的不足,并进而给出了拟合离散化方法.与差分法比较,拟合法的算子系数具有方程整体统筹性,是在具体的采样间隔、步长条件下的最佳系数,因而能适应样点间隔、步长等条件的变化,精度较高.文中还给出了模型及实例.