TI介质弹性波场伪谱法数值模拟

地震波场模拟中的有限差分法和有限元法是使用广泛也较为成功的方法,但是它们还是或多或少地存在一些缺陷,如为了提高计算精度而使运算效率降低、在泊松比变化大的界面存在稳定性问题等。伪谱法是一种模拟精度和计算效率都比较高的地震波场数值模拟方法,首先给出TI介质中的波动方程,然后推导了T1介质的伪谱法计算公式,最后对一些介质模型进行了模拟试算。验证了方法的有效性和TI介质本身的一些特性。     

爆破地震波对地下结构物的影响仿真研究

目的　获取爆破地震波作用下地下结构物的响应特征 .方法　本文以试验结果为依托 ,采用非线性有限元分析手段 ,对爆破地震波对地下结构物的影响进行了数值模拟 .结果　数值模拟结果与试验吻合较好 .结论　得出两个主要结果 :介质质点振动速度的传播规律 (有效峰值持续时间 ,随传播距离的增大呈增大趋势 ) ;结构响应特征 (铅直振动是爆破地震波作用下结构振动的主要成分 )     

相位移法高频补偿稳定性研究

地震波在实际介质中的传播机制与其在理想弹性介质中不同,此时其携带的机械能被部分存储、部分耗损,使得地震波发生频散现象,在近地表疏松介质中这种吸收效应更为强烈,造成大沙漠区地震勘探得到的资料分辨率降低.为了有效提高地震资料的分辨率,对疏松介质的吸收效应进行合理补偿势在必行.但其能量补偿因子是一与频率有关的幂函数,随着地震波传播距离增大和频率提高而急剧加大,计算过程不稳定,进而产生大量人为假象.通过数值模拟研究了计算不稳定性的形成机制,在前人研究基础上,提出了保持计算稳定性条件.数值模拟和实际资料处理结果表明,在保持数值计算过程稳定、高频信号不发生畸变的前提下,应用相位移法可以最大限度地恢复被地层吸收、衰减的有效高频信号,合理地提高了地震资料的垂向分辨率.     

弹性介质中SH波传播的三角形格子法

目的提出一种不规则边界非均匀弹性介质中反平面剪切(SH)波传播数值模拟方法,研究反平面剪切波入射时地表起伏及软弱层对场地的影响.方法将实际介质计算区域剖分成三角形网格,构造出控制体,给出积分形式的控制体运动方程;交替运用控制体运动方程和SH波的本构方程,在时间域上递推计算给出被研究区域内各节点的加速度、速度、位移和各格子的应力.结果给出了弹性介质中SH波传播数值模拟三角形格子法.数值算例结果与解析解比较,验证了方法的计算精度和有效性.瞬态反平面剪切波入射时,地表起伏、软弱层会引起场地的运动状态量和应力量的放大,有运动状态量和最大剪应力集中现象.结论SH波传播数值模拟三角形格子法计算精度较高,处理不规则边界非均匀介质波动问题的适应性强,算法实现简单、计算量小.是研究大规模、不规则边界非均匀介质中SH波传播问题的一种有力工具,为岩土动力学中的波动研究提供了一种新的数值方法.     

几类各向异性介质中震源的数值模拟

本文根据弹性理论中的几个基本方程。导出弹性均匀各向异性中的Christoffel 方程。及由此得出地震波的传播速度与介质的弹性参数间的数值关系,并利用有限元法计算出波场.     

VTI介质交错网格FCT有限差分数值模拟

波动方程有限差分数值模拟是研究地震波在地下介质中的波场特征和传播机理的重要手段.对于常规有限差分技术,当采用大网格对计算空间进行差分离散时会出现严重的数值频散问题,降低了计算精度.通量校正(Flux- corrected transport method,FCT)技术能够有效压制粗网格情况下有限差分的数值频散.本文研究了具有垂直对称轴横向各向同性(Vertical Transverse Isotropy,VTI)介质的交错网格FCT有限差分技术.首先从一阶速度一应力弹性波方程出发,在交错网格空间中给出了该方程的高阶有限差分法格式及稳定性条件,在此基础上研究了波动方程正演过程中的数值频散FCT压制技术,二者结合实现了该方程的高精度有限差分数值模拟.同常规算法相比,本文算法不额外增加内存需求,少量增加计算量,但可有效压制VTI介质中弹性波动方程正演的数值频散现象.当采用大网格进行数值模拟时,本文方法明显提高了波场模拟精度.     

爆破地震波对地下结构物的影响仿真研究

目的 获取爆破地震波作用下地下结构物的响应特征。方法 本文以试验结果为依托,采用非线性有限元分析手段,对爆破地震波对地下结构物的影响进行了数值模拟。结果 数值模拟结果与试验吻合较好。结论 得出两个主要结果：介质质点振动速度的传播规律（有效峰值持续时间,随传播距离的增大呈增大趋势）;结构响应特征（铅直振动是爆破地震波作用下结构振动的主要成分）。     

基于FrontISTR的大规模地震数值模拟软件的研发

基于开源并行有限元程序开发平台FrontISTR,研制了大规模地震数值模拟的计算软件EduS/FrontISTR。文章介绍了该计算软件模拟地震断层及震源的方法,并将数值模拟的地壳变动和地震波传播的时序曲线同理论解进行比较,得到同理论解一致的结果。该软件嵌入日本全土地震灾害非均匀的地下结构(J-SHIS)和松原地震波速度模型融合的数据库, 同时能够考虑地表地形及海底的形状。以日本东北部海域发生的Mw9.0特级大地震为例,用EduS/FrontISTR软件进行了地壳变动和地震波传播数值模拟,准确地再现了新泻—神户地区的应变集中现象,精确展现了大地震发生后地震波的传播过程,其结果与观测结果良好吻合。该数值模拟计算程序可为地震发生后的震源附近区域提供有效的地震波数据,有助于灾后工程结构的安全评估。     

基于FLUENT对惰性多孔介质中湍流预混燃烧的模拟

采用了多孔介质气固间局部热平衡假定,建立了二维的多孔介质中湍流燃烧模型.通过用户自定义函数在FLUENT6.1的多孔介质模型中引入湍流和辐射的作用,对多孔介质中甲烷-空气预混燃烧的特性进行了数值模拟.得到的多孔介质中的计算流场更加合理,流速均匀且消除了多孔区近壁面速度高而中心低的不合理速度场.计算结果显示多孔介质中温度分布均匀,壁面温度和中心温度相差很小,比FLUENT软件不考虑多孔介质辐射的结果更加合理.通过计算甲烷-空气的两步反应,得到了多孔介质中速度场、温度场和浓度场的分布理论预示结果,并与试验结果进行了比较,发现二者趋势一致.利用FLUENT软件求解多孔介质中燃烧问题是有效的,该二维惰性多孔介质燃烧模型是合理的.     

几种典型地质模型的地震波场数值模拟

在地震波场数值模拟中,边界条件的选取、差分方程的稳定性条件和收敛性以及频散的消除对于模拟质量至关重要。在综合考虑这些影响因素的基础上,对二维声波方程采用有限差分方法,利用二阶吸收边界条件,模拟了均匀模型、层状模型、断层模型、背斜模型等几种典型介质模型的地震波场。模拟结果揭示了参数的选取对模拟精度的影响程度。通过泰勒级数展开推导得到有限差分波动方程,造成离散的波动方程固有误差的存在。差分阶数越低,频散越严重;相反,有限差分的误差就越小,就越接近于精确解;此外,空间和时间采样间隔越大,会加快计算速度,同时可能会产生网格频散,故在有限差分数值模拟的过程中必须同时兼顾模拟的精度和速度。     

二维弹性波方程频率空间域有限差分正演研究

时间空间域有限差分正演模拟方法比较成熟,但是,该方法存在截断误差,并且该误差会随着计算量的增加不断累积。而频率空间域有限差分正演模拟方法是对空间网格后的所有网格点按照频率切片进行整体求解方程组,计算的误差被分配到了每一个网格点上。因为每个频率切片是单独计算的,不存在累积的舍入误差。推导了二维弹性波方程频率空间域的最优化旋转有限差分格式,通过模型的正演模拟试算,验证了频率空间域有限差分方法算法的有效性。     

二维各向同性介质地震波全波场的有限差分模拟

对地震波场的有限差分方程进行了详细的推导,采用改进的中心线算法对有限差分方程中的大型稀疏线性方程组进行求解,并对算法的稳定性进行了分析。通过对二维双层弹性介质中的地震波全波场的模拟,获得了清晰的地震波波场特征,包括面波及体波波场特征。     

近地表疏松介质吸收补偿的数学模拟研究

为有效提高地震资料的分辨率,定量研究地震波在疏松介质中的吸收效应及补偿条件尤为重要.根据塔里木盆地针对性施工的微测井原始资料,采用频谱比法计算表层品质因子的分布规律;应用地震波在粘弹性介质中的传播机制,符合线性吸收机制原理,采用相移法在频率-空间域对地震波在疏松介质中的传播,进行正演及吸收衰减补偿的数学模拟.结果表明:疏松介质对地震波的高频吸收衰减,只有在特定的表层地震地质条件下,才能通过后续补偿处理得以恢复,给出了完全补偿这种吸收衰减效应的条件,为沙漠地区地震资料分辨率的合理上限提供了理论模拟数据.     

声波方程有限差分数值模拟的变网格步长算法

地震波场正演模拟是研究地震波在介质中传播特点的重要手段。常规的傅立叶变换法和有限差分方法在对含低速/高速介质、薄层/厚层介质的模型进行波场模拟时通常采用均匀网格,因此,这两种方法往往缺乏稳定性。本文对解决上述问题有较高优越性的变网格算法进行了介绍,对传统的有限差分法与变网格差分算法在内存需求、计算速率等方面的差别进行了比较,并对变网格算法中的边界条件、时间积分的快速展开算法进行了阐述,总结了变网格算法的优点。     

基于波动方程的地震观测系统设计方法研究

基于非零炮检距的真振幅单程波动方程地震叠前正演和叠前偏移理论，提出了基于波动方程的地震观测系统设计方法．采用真振幅单程波动方程进行计算，补偿了几何扩散造成的能量损失；正演记录只包含一次反射波和不规则点的绕射波，具有很高的信噪比．理论模型的实验结果表明基于波动方程的波场快照与射线路径具有很好的类比关系，可以定性地描述地震波的传播；在消除界面的波阻抗差异的影响后，正演记录的叠前偏移剖面不仅与原始地质模型具有很好的对应关系，而且其同相轴的能量与覆盖次数成正比，通过提取目标层位的能量可以定量地分析覆盖次数的高低．     

多尺度数值模拟的有限点集-网格元法

为了对不均匀介质中物理场进行更有效的多尺度模拟,提出一种称为有限点集-网格元法的数值方法(finite point-grid element method ,FPGEM).FPGEM是对传统有限元方法的改造,它把网格与节点分离成独立的两套覆盖,采用离散的有限点集对物理场进行多尺度逼近,同时采用网格剖分作为介质分布的几何载体;点集和网格各自扮演不同的角色,发挥不同的功能.FPGEM主要的优点是:由于其节点和网格分离,对场的非均匀性及介质非均匀分布具有双重的多尺度模拟的优势,为一些地球物理问题中的多尺度模拟提供了一种更加灵活、自然的计算框架.     

Hydro-mechanical modeling of impermeable discontinuity in rock by extended finite element method

The extended finite element method(XFEM) is a numerical method for modeling discontinuities within the classical finite element framework. The computation mesh in XFEM is independent of the discontinuities, such that remeshing for moving discontinuities can be overcome. The extended finite element method is presented for hydro-mechanical modeling of impermeable discontinuities in rock. The governing equation of XFEM for hydraulic fracture modeling is derived by the virtual work principle of the fracture problem considering the water pressure on crack surface. The coupling relationship between water pressure gradient on crack surface and fracture opening width is obtained by semi-analytical and semi-numerical method. This method simplifies coupling analysis iteration and improves computational precision. Finally, the efficiency of the proposed method for modeling hydraulic fracture problems is verified by two examples and the advantages of the XFEM for hydraulic fracturing analysis are displayed.