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动力方程求解的显式积分格式及其稳定性与适用性 总被引：12，自引：0，他引：12
文献（１）给出了一种求解有阻尼体系动力方程的显式积分格式,文中以数值表格的形式给出了格式的稳定性条件,本文对该格式的稳定性问题作了进一步的分析,并给出了其计算稳定性条件的表示式。本文还着重讨论了基于这一显式积分格式的推导过程而派生出的另一形式的积分格式的稳定性,并指出了该派生格式的适用性问题。 相似文献
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将弹性波方程变换至Hamilton体系,构造适用于弹性波模拟的高效显式二阶辛Runge-Kutta-Nystrm(RKN)格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组.通过给定系数的限定条件,得到方程的对称解.为了使时间离散误差达到极小,提出数值频率与真实频率比较,通过Taylor展开,得到关于辛系数的限定方程,求解方程组得到最小频散辛RKN格式.对比分析时间演进方程的稳定性,得到使库朗数达到极大值的限定方程,求解方程组得到最稳定辛RKN格式.发现此两种格式为同一格式.新得到的辛RKN格式不依赖于空间离散方法,为了对比的需要,选取有限差分法进行空间离散.在频散、稳定性分析中,与常见辛格式对比,从理论上分析了本文提出的格式在数值频散压制、稳定性提升等方面的优势,数值实验进一步证实了理论分析的正确性. 相似文献
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将声波方程变换至Hamiltion体系,构造了适用于高效声波模拟的二阶显式辛Runge-Kutta-Nyström（RKN）格式,运用根数理论得到此格式的阶条件方程组. 针对两个自由度的辛条件方程组,根据三次项截断误差最小原理得到一种误差最小辛格式;通过分析声波的时间演进方程的稳定性,选择不同的辛系数使演进方程更稳定,并得到了另一种更为稳定辛格式;在频散关系分析中,选择使数值频散最小的辛系数,得到第三种最小频散辛格式. 在理论分析中,这组辛RKN格式相比常见格式在精度控制、数值频散压制以及稳定性提升等方面均具有明显优势;在数值实验中,通过具体算例验证了理论分析的正确性. 相似文献
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在岩石圈动力学数值模拟中,现有的黏弹塑性数值模型通常在每个时间步先使用迎风间断Galerkin方法对偏应力张量进行旋转,然后使用Particle-In-Cell (PIC)方法或场方法求解对流方程,所构成的时间离散格式为显格式或半隐格式.我们将黏弹塑性介质的经典数值模型和非牛顿流体力学领域的黏弹性流体问题计算方法相结合,提出了一种基于有限单元法的求解黏弹塑性介质流动的全隐格式算法.本文通过数值实验将这种全隐格式算法与PIC方法和半隐格式算法进行了详细的对比,实验结果表明全隐格式算法的数值稳定性优于PIC方法,而当Deborah数较高时精度优于半隐格式算法.同时,我们在应力场引入三阶WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory)限制器,可以在保留数值解精度的同时有效消除应力集中引起的数值振荡. 相似文献
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数值计算方法是考察非线性弹性波在介质中（如岩石）传播特征的重要手段.非线性弹性波的数值模拟存在陡峭间断面（点）、数值振荡以及误差的指数级增长等现象而破坏数值解的稳定性、收敛性，能否消减上述现象的不利影响成为制约数值方法有效与否的重要因素.文中同时引入了FCT算子和幅值限制器，采用中心差分格式对具有垂直对称轴的横向各向同性（VTI）介质中的二维非线性弹性波进行数值模拟，从而克服了上述困难；介绍了适用于非线性弹性波的吸收边界条件，给出了差分方程的稳定性条件.在验证了方法的有效性后成功地获取了二维VTI介质中非线性弹性波的三分量地震正演记录，表明非线性波在传播过程中会发生波形畸变等现象. 相似文献
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本文基于声波方程的哈密尔顿系统,构造了一种新的保辛数值格式,简称NSPRK方法.该方法在时间上采用二阶辛可分Runge-Kutta方法,空间上采用近似解析离散算子进行离散逼近.针对本文发展的新方法,我们给出了NSPRK方法在一维和二维情况下的稳定性条件、一维数值频散关系以及二维数值误差,并在计算效率方面与传统辛格式和四阶LWC方法进行了比较.最后,我们将本文方法应用于声波在三层各向同性介质和异常体模型中的波传播数值模拟.数值结果表明,本文发展的NSPRK方法能有效压制粗网格或具有强间断情况下数值方法所存在的数值频散,从而极大地提高了计算效率,节省了计算机内存. 相似文献
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本文在前人工作的基础上,建立了一种基于Shannon奇异核的交错网格褶积微分算子方法.文中不仅详细讨论了影响算子精度的各种因素,同时也着重分析了其在弹性波模拟中的频散关系和稳定性条件.通过和交错网格有限差分算子比较,发现该算子即使在高波数域也具有较高的精度.均匀介质中的数值试验也表明,该方法9点格式就基本上达到了解析解精度.而分层均匀介质和复杂介质中的地震波数值模拟也同时证实了该方法精度高,稳定性好,是一种研究复杂介质中地震波传播的有效数值方法. 相似文献
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声波方程数值模拟已广泛应用于理论地震计算,同时构成了地震逆时偏移成像技术的基础.对于有限差分法而言,在满足一定的稳定性条件时,普遍存在着因网格化而形成的数值频散效应.如何有效地缓解或压制数值频散是有限差分方法研究的关键所在.为精确求解空间偏导数,相继发展了高阶差分格式优化方法和伪谱方法.近期,为更好地缓解数值频散,提出了时间-空间域有限差分方法,该方法采用了泰勒展开近似方法来确定有限差分格式系数,因而只能保证在一定的小范围内很好的拟合波场传播规律.为进一步压制数值频散效应,本文引入了时间-空间域特定波数点满足频散关系的方法,根据震源、波速和网格间距确定波数范围,同时考虑了多个传播角度,然后建立方程确定了相应的有限差分格式系数,使得差分系数能在更大范围符合波场传播规律.通过频散分析和正演模拟,验证了本文方法的有效性. 相似文献
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波动有限元方程显式逐步积分格式稳定性分析 总被引：2，自引：0，他引：2
景立平 《地震工程与工程振动》2004,24(5):20-26
对常用的波动有限元方程的两种显式格式的稳定性进行了分析,利用单元的最大频率乃是系统的特征频率的上界的概念结合模态分析方法,给出了便于实际应用的稳定性必要条件。同时,利用Von Neumann方法给出了这两种格式稳定性的充分条件,并通过算例对这两种稳定性条件进行验证。 相似文献
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有限差分方法因其操作简单、计算消耗低而成为地震勘探领域中最为常用的数值模拟方法之一,然而用离散的显式差分算子数值逼近地震波动方程中的连续导数容易导致数值频散,并且基于正方形网格离散形式的有限差分方法对不同地质模型的适应性较低.针对一阶变密度声波方程的数值模拟,本文发展了一种适用于矩形网格离散形式的时间高阶空间隐式有限差分格式,可以有效压制时间和空间频散,同时灵活的网格剖分增强了其应用的广泛性.基于本文矩形交错网格时间高阶空间隐式有限差分格式的时空域频散关系和变量替换的思想,首先采用泰勒级数展开方法求解不同方向的非轴上时间差分系数及轴上空间差分系数,使本文差分格式可以获得任意偶数阶时间和空间精度.为了进一步提高本文差分格式在更大波数区域的空间模拟精度,我们采用线性优化方法来求取新的轴上空间差分系数用于一阶变密度声波方程的波场迭代求解中.频散、稳定性分析及数值模拟算例表明：相比于传统十字形空间域隐式有限差分格式,本文矩形交错网格时间高阶空间隐式有限差分格式在精度、稳定性和效率方面均具有优势. 相似文献
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地震波场数值模拟在地球物理勘探和地震学中具有重要的支撑作用.本文将组合型紧致差分格式用于声波和弹性波方程的数值模拟中.根据泰勒级数展开和声波方程,建立了位移场时间四阶离散格式,并将组合型紧致差分格式用于位移场空间导数的求取,然后对该差分格式进行了精度分析、误差分析、频散分析和稳定性分析.理论研究结果表明：①该差分格式为时间四阶、空间六阶精度,与常规七点六阶中心差分和五点六阶紧致差分相比,具有更小的截断误差和更高的模拟精度;②每个波长仅需要5.6个采样点,且满足稳定性条件的库郎数为0.792,可以使用粗网格和较大时间步长进行计算.所以该方法具有占用内存少、计算效率高和低数值频散等优势.最后,本文进行了二维各向同性完全弹性介质的声波和弹性波方程的数值模拟,实验结果表明本文提出的方法具有更高的计算精度,能够大幅度的节约计算量和内存需求,对于三维大尺度模型问题具有更好的适应性. 相似文献
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弹性波方程作为一类重要的数学物理方程在地球物理方面有着许多广泛的应用前景.本文应用多辛守恒算法来研究弹性波方程,首先给出了弹性波方程的多辛结构,然后通过引入正则动量,验证了弹性波方程具有Hamilton系统多辛格式,并证实此格式具有多辛守恒律、局部能量守恒律和动量守恒律.利用中心Preissmann方法构造离散多辛格式的途径,并构造了一种多辛格式,该格式满足离散多辛守恒律,局部能量守恒律,局部动量守恒律.数值算例结果表明该多辛离散格式具有较好的长时间数值稳定性. 相似文献
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有阻尼体系动力问题的一种显式差分解法 总被引：15，自引：7，他引：15
本文以中心差分方法为基础,结合Newmark常平均加速度法的基本假定,推导出了一种求解有限自由度有阻尼体系动力方程的自起步显式差分格式。此格式的稳定性条件与一般中心差分格式的相当,其计算精度不低于二阶精度。 相似文献
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有限差分方法是波场数值模拟的一个重要方法,交错网格差分格式比规则网格差分格式稳定性更好,但方法本身都存在因网格化而形成的数值频散效应,这会降低波场模拟的精度与分辨率.为了缓解有限差分算子的数值频散效应,精确求解空间偏导数,本文把求解波动方程的线性化方法推广到用于求解弹性波方程交错网格有限差分系数;同时应用最大最小准则作为模拟退火(SA)优化算法求解差分系数的数值频散误差判定标准来求解有限差分系数.通过上述两种方法,分别利用均匀各向同性介质和复杂构造模型进行了数值正演模拟和数值频散分析,并与传统泰勒展开算法、最小二乘算法进行比较,验证了线性化方法和模拟退火方法都能有效压制数值频散,并比较了各个算法的特点. 相似文献
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在Newmark精细直接积分法的基础上,应用高斯积分与精细指数运算,提出该方法的两种逐步积分格式。文中对两种积分格式的稳定性和精度进行了分析。经过分析比较,第1种逐步积分格式计算精度较高,其稳定性明显地满足算法稳定性分析的条件;而第2种积分格式计算精度相对较差,且是不稳定的。因此本文将第1种积分格式应用于结构的地震反应分析中。算例表明,该逐步积分格式对地震作用有很好的适应性。 相似文献
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用有限差分数值方法研究了由分层均匀流体（地层的声波方程近似）和弹性固体地层包围的流体井孔体声波和弹性波的传播规律，用声压描述井中流体，使奇异点源处理简单，使流体与流体，流体与弹性固体内边界连接条件的差分格式稳定，在Ｆｏｕｒｉｅｒ变换方法与半解析方法适用的简单地层条件下，将有限差分数值模拟结果与Ｆｏｕｒｉｅｒ变换及半解析方法计算结果进行比较，检验了方法的精确性。从模拟井外有薄层介质存在时的全波曲线看 相似文献
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VTI介质准P波旋转交错有限差分数值模拟 总被引：1，自引：0，他引：1
本文采用旋转交错网格差分格式对VTI（垂直对称轴的横向各向同性）介质准P波一阶应力-速度方程进行数值模拟。并在PML边界条件和稳定性条件下得出Marmousi等复杂模型的高精度波场快照和地震记录,分析了各向异性对地震波的影响。数值结果表明：旋转交错网格有限差分能获得高精度的地震模拟数据,PML边界有较好的吸收效果。 相似文献