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各向异性介质纯P波方程完全不受横波的干扰,在一定程度上可以减缓由于介质各向异性引起的数值不稳定,本文推导了具有垂直对称轴的横向各向同性(VTI)介质纯P波一阶速度-应力方程.由于纯P波方程存在一个分数形式的伪微分算子,无法直接采用有限差分法求解.针对该问题,本文采用伪谱法和高阶有限差分法联合求解波动方程,重点分析了混合法求解纯P波一阶速度-应力方程的稳定性问题,并给出了混合法求解纯P波方程的稳定性条件.数值模拟结果表明纯P波方程伪谱法和高阶有限差分混合法能够进行复杂介质的正演模拟,在强变速度、变密度的地球介质中仍然具有较好的稳定性. 相似文献
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横向各向同性介质是地球内部广泛存在的一种各向异性介质，因此为了能够更好地认识地震波在这种介质中的传播特征，用数值方法进行地震波模拟显得十分必要.本文采用谱元法对横向同性介质中的地震波进行模拟，该方法基于弹性力学方程弱形式基础之上，具有有限元适应任意复杂介质模型的韧性和伪谱法的精度.文中阐述了基于Legendre多项式的谱元法的理论和推导过程，该方法可以形成全局对角质量矩阵，在时间域使用显式的差分算法，提高运算效率，最后通过横向各向同性介质的数值计算,模拟结果表明该方法是一种有效的数值模拟方法. 相似文献
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初步探讨小波多分辨分析理论在地震波动方程正演模拟中的应用，给出一种基于地震波场局部变化性质而自适应调空间网格点的波动方程数值算法，目前求解波动方程所用的有限差分法、有限元法以及伪谱法都不能根据波场的局部变化性质而动态选择空间网格点的大小、小波基函数在空间域和频域中都具有局部性特征，它的性质优于有限差分法，有限元法和伪谱法中所用的基函数，通过阀值运算，地震波场失发辨表示变得非常稀疏，同时地下介质中的主要信息又不会受到损害，本文将声波场的多分辨表示变得非常稀疏，同时地下介质中的主要信息又不会受到损害，本文将声波方程的矩阵表示形式小波多分辨分析的框架下进行了展开，通过对算子长阵的地震波场矩阵进行多分辨分解和压缩，得到了小波域中地震波场正演模拟算法。 相似文献
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地震波场数值模拟是理解地震波在地下介质中的传播特点，帮助解释观测数据的有效手段，而提高计算精度和运算效率是所有波场数值模拟方法研究所追求的目标.有限差分技术是求解波动方程计算效率最高、应用最为广泛的方法之一.但传统的有限差分技术计算过程中的数值频散问题影响了该技术的计算精度与计算效率.本文通过交错网格高阶有限差分技术与通量校正传输方法（Flux|corrected transport method，FCT）相结合, 对横向各向同性介质（Transverse isotropic medium，TI）一阶速度|应力弹性波动方程组进行了数值求解研究.波场快照数值模拟结果表明，本文研究的数值模拟方法与波动方程二阶有限差分方法、交错网格四阶有限差分方法相比，在压制网格数值频散方面有明显的优势，计算精度提高，而且可以利用较大的空间步长，提高计算效率. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2021,(8)
基于L-S热弹性理论,采用旋转交错网格伪谱法,实现了均匀各向同性介质的一阶速度-应力-温度微分方程组的数值求解和波场模拟.其中,用时间分裂法解决方程组的刚性问题,用旋转交错伪谱算子计算空间一阶导数,用中心伪谱算子计算空间二阶导数;对于热导率变化比较大的双层介质模型和参考温度随深度按梯度分布的模型,用Crank-Nicolson显式方法取代旋转交错网格伪谱法进行计算;讨论了热耦合波场性质和传播规律,对比了常规伪谱法、交错网格伪谱法和旋转交错网格伪谱法热耦合波场模拟效果.数值模拟结果表明:基于L-S热弹性理论,用时间分裂法结合旋转交错网格伪谱法对均匀各向同性介质的波场计算,能够得到稳定的、高精度的模拟结果,但是在热导率变化剧烈的情况下不能用大时间步长进行求解,而且在参考温度不均匀分布的情况下算法不稳定.本文在网格剖分方式与数值算法的优化组合应用方面进行了探索,为将这些方法推广到孔隙热弹性、热黏弹性和各向异性研究奠定了基础. 相似文献
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波动方程数值模拟是深入研究地震波传播规律的有效方法.有限差分法因其方法简单、精度高而得到了广泛的应用.但其缺点是不能准确模拟具有复杂几何形态的物性界面.因而当遇到起伏地表或复杂构造时，求解精度低.为了准确模拟起伏地形、复杂构造和复杂介质条件下的地震波场，本文采用有限元法模拟二维声波方程.用三角形单元模拟地形和速度界面；把单元内的场和波速均看作单元上的线性函数，以适应复杂介质压制边角散射；采用吸收边界条件去除来自截断边界上的反射；采用集中质量矩阵和集中阻尼矩阵使得显式时间递推无需对矩阵求逆，提高了计算效率.对模型的计算表明该方法正确有效. 相似文献
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传统的伪谱(PS)方法,采用傅里叶变换(FT)计算空间导数具有很高的精度,每个波长仅需要两个采样点,而时间导数采用有限差分(FD)近似因而精度较低.当采用大时间步长时,由于时空精度不平衡,PS法存在不稳定性问题.原始的k-space方法可以有效地克服这些问题但是却无法适用于非均匀介质.为了提高原始k-space方法模拟非均匀介质波动方程的精度,我们提出了一种新的k-space算子族.它是用非均匀介质的变速度代替原k-space算子中的常数补偿速度构造得到,引入低秩近似可以高效求解.我们将构造的新的k-space算子应用于耦合的二阶位移波动方程,而不是交错网格一阶速度应力波动方程,使模拟弹性波的计算存储量减少.我们从数学上证明了基于二阶波动方程的k-space方法与基于一阶波动方程的k-space方法是等价的.数值模拟实验表明,与传统的PS、交错网格PS和原始的k-space方法相比,我们的新方法可以在时间和空间步长较大的均匀和非均匀介质中,为弹性波的传播提供更精确的数值解.在保持稳定性和精度的同时,采用较大的时空采样间隔,可以大大降低数值模拟的计算成本. 相似文献
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在数值模拟中,隐式有限差分具有较高的精度和稳定性.然而,传统隐式有限差分算法大多由于需要求解大型矩阵方程而存在计算效率偏低的局限性.本文针对一阶速度-应力弹性波方程,构建了一种优化隐式交错网格有限差分格式,然后将改进格式由时间-空间域转换为时间-波数域,利用二范数原理建立目标函数,再利用模拟退火法求取优化系数.通过对均匀模型以及复杂介质模型进行一阶速度-应力弹性波方程数值模拟所得单炮记录、波场快照分析表明:这种优化隐式交错网格差分算法与传统的几种显式和隐式交错网格有限差分算法相比不但降低了计算量,而且能有效的压制网格频散,使弹性波数值模拟的精度得到有效的提高. 相似文献
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系统地论述了大地电磁三维交错采样有限差分数值模拟算法实现过程中交错网格剖分、积分公式离散化、边界条件、方程组求解、三维张量阻抗的计算等内容. 由于提出了简洁的边界条件，采用了解大型系数矩阵方程组的双共轭梯度稳定解法，所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法具有迭代收敛稳定、计算精度高、速度快等特点. 通过两个理论模型的计算结果检验了算法的正确性和计算精度. 所实现的三维交错采样有限差分数值模拟算法为研究三维反演问题奠定了基础. 相似文献
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基于可分离小波理论,由一维Daubechies尺度函数的张量积构造二维Daubechies小波基,并将它作为GPR波动方程求解的插值函数,导出了二维Daubechies小波有限元GPR方程离散格式;通过引入转换矩阵,实现小波系数空间与雷达场值之间转换.引入自由度凝聚技术,有效解决了小波有限元求解中小波单元内部自由度过多的问题,节约了计算量并方便与传统有限元法耦合.然后,详细阐述了Daubechies小波有限元联系系数计算方法,有效解决了小波有限元求解偏微分方程的难点与核心问题.最后,以两个典型GPR模型为例,对比了Daubechies小波有限元与传统有限元的雷达正演剖面图与单道波形图,结果表明:在相同的剖分方式及节点数目条件下,Daubechies小波有限元的紧支性与正交性一定程度上提高了求解效率,它与有限元法求解结果能较好地吻合,验证了Daubechies小波有限元算法的正确性. 相似文献
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地电磁场的直接求解法存在伪解现象，且电磁场分量在界面上的不连续性与节点型有限元的基本要求矛盾. 本文将Coulomb 规范下磁矢量势-电标量势与自适应有限元相结合，提出了地球物理电磁场计算的快速、高精度方法. 首先从地电磁场一般边值问题出发，给出了Coulomb 规范下磁矢量势-电标量势的公式系统，分析了求解域内势的连续性. 采用Galerkin 加权余值法推导出积分弱解形式和Delaunay非结构化四面体单元时Hierarchal 基函数的有限元方程. 基于超收敛恢复技术，提出了适用于电磁场的后验误差估计方法，阐述了地电磁场自适应计算的策略及迭代算法，分析了计算时间消耗和误差收敛性质，表明本文方法可以用最优的计算资源得到呈拟指数收敛到准确解的数值结果，从而为后续的数值计算奠定了理论基础. 相似文献
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在三维频率域电磁法的正演模拟方法中,有限元方法具有计算精度高、适应性强的优点,近年来来得到了越来越多的关注.在正演过程中,主要的计算量集中在求解由偏微分方程组离散得到的线性方程组上,因此求解线性方程组关系着正演计算速度以及模拟精度.由于由有限元方法离散得到的复系数线性方程组条件数非常大,使用常规的迭代法和预条件很难收敛.目前大多数的研究工作采用直接解法,需要大量的计算机内存,限制了可求解问题的规模.本文研究了线性方程组的迭代解法,通过将复系数线性方程组转化为其实对称形式,构造分块对角预条件.在应用预条件的过程中,需要求解两个较小的实数方程,通过辅助空间解法求解.本文的算法适用于可控源电磁法和大地电磁法,对一系列的数值算例的模拟结果证明了迭代算法的效率,结果表明迭代算法可以在小于20次迭代内收敛,同时迭代次数与模型电阻率、问题规模和频率无关. 相似文献
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This paper presents a time-dependent semi-analytical artificial boundary for numerically simulating elastic wave propagation problems in a two-dimensional homogeneous half space. A polygonal boundary is considered in the half space to truncate the semi-infinite domain, with an appropriate boundary condition imposed. Using the concept of the scaled boundary finite element method, the wave equation of the truncated semi-infinite domain is represented by the partial differential equation of non-constant coefficients. The resulting partial differential equation has only one spatial coordinate variable and time variable. Through introducing a few auxiliary functions at the truncated boundary, the resulting partial differential equations are further transformed into linear time-dependent equations. This allows an artificial boundary to be derived from the time-dependent equations. The proposed artificial boundary is local in time, global at the truncated boundary and semi-analytical in the finite element sense. Compared with the scaled boundary finite element method, the main advantage in using the proposed artificial boundary is that the requirement for solving a matrix form of Lyapunov equation to obtain the unit-impulse response matrix is avoided, so that computer efforts are significantly reduced. The related numerical results from some typical examples have demonstrated that the proposed artificial boundary is of high accuracy in dealing with time-dependent elastic wave propagation in two-dimensional homogeneous semi-infinite domains. 相似文献
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An explicit finite element－finite difference method for analyzing the effect of visco－elastic local topography on the earthquake motion 总被引：6，自引：0，他引：6
Ａｎｅｘｐｌｉｃｉｔｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ－ｆｉｎｉｔｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｖｉｓｃｏ－ｅｌａｓｔｉｃ ｌｏｃａｌ ｔｏｐｏｇｒａｐｈｙ ｏｎ ｔｈｅ ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ ｍｏｔｉｏｎ... 相似文献
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The multiscale finite element method is developed for solving the coupling problems of consolidation of heterogeneous saturated porous media under external loading conditions. Two sets of multiscale base functions are constructed, respectively, for the pressure field of fluid flow and the displacement field of solid skeleton. The coupling problems are then solved with a multiscale numerical procedure in space and time domain. The heterogeneities induced by permeabilities and mechanical parameters of the saturated porous media are both taken into account. Numerical experiments are carried out for different cases in comparison with the standard finite element method. The numerical results show that the coupling multiscale finite element method can be successfully used for solving the complicated coupling problems. It reduces greatly the computing effort in both memory and time for transient problems. 相似文献
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本文研究了二维多孔弹性波方程的多尺度波场数值模拟方法.该多尺度方法可采用较粗的网格计算,同时又能反映细尺度上物性参数的变化信息.文中详细阐述了多尺度模拟方法与算法,并推导了相应的计算格式.基本思想是建立粗细两套网格,在粗网格上,基于有限体积方法计算更新波场;在细网格上,计算多尺度基函数,这基于有限元方法通过求解一个局部化问题得到.对含有随机分布散射体的多孔介质模型进行了数值计算,计算中应用了完全匹配层(PML)吸收边界条件,数值结果验证了本文方法和算法的正确性和有效性. 相似文献
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频率域可控源电磁是在大地电磁测深的基础上发展起来的一种人工源电磁测深法,其二维电磁响应的计算须采用数值模拟方法.本文以Matlab为程序编译工具,采用双二次插值的有限单元法,推导出相应的计算公式.为了模拟无穷远边界及满足计算机的内存需求,在保证计算精度的情况下设计了非均匀网格剖分.在程序编制中,只存储有限元系数矩阵的非零元素,大大减少了正演计算的时间.针对频率域可控源电磁法中卡尼亚电阻率在过渡区和近区畸变的问题,给出了全区视电阻率的迭代公式,并对典型的一维层状模型以及简单二维模型进行了计算.过渡区和近区数据经过校正后,可以正确反映出模型的地电特征,证明了线源下近区勘探的可能性. 相似文献