完全匹配层吸收边界条件的研究

边界反射是数值模拟中的一个关键问题。构建完全匹配层(PML)吸收边界条件是消除边界反射的理想方法之一。此方法是在研究区域的边界上加入吸收层,使边界上传入吸收层的波随传播距离按指数规律衰减,不产生任何反射,达到消除边界反射的目的。首先给出了二维声波方程完全匹配层的公式,然后通过地面地震模型和井间地震模型数值算例与常规吸收边界条件进行了比较。结果表明,PML边界条件具有吸收更干净、相位对应关系好且能够吸收各种角度的边界反射等优点,从而验证了完全匹配层吸收效果的优越性。     

PML在FDTD法计算地闪回击辐射场中的应用

为了计算地闪回击电流辐射场,采用时域有限差分(FDTD)法在二维柱坐标系下计算,选用柱坐标系下的完全匹配层(PML)吸收边界条件截断计算域.将计算结果分别与采用一阶Mur吸收边界条件得到的结果和采用Cooray-Rubinstein法得到精确的辐射场进行比较.比较结果表明:PML吸收边界条件的吸收效果优于一阶Mur吸收边界条件;与一阶Mur吸收边界条件相比,在计算结果达到同样精确的条件下,减小了计算域,缩短了计算时间.     

三维声波散射的时域仿真

为了研究医学超声中的动态波散射问题,建立了三维声波的速度-压力交错网格时域有限差分模型,讨论了完全匹配层吸收边界的构建及其时域有限差分算法的实现,分析了吸收边界的性能.三维声波场中标准目标散射的动态仿真验证了该计算方法的有效性.     

二维粘弹介质五点八阶超紧致有限差分声波方程数值模拟

本文首次将五点八阶超紧致有限差分格式(CCD8)用于粘弹介质声波方程的数值模拟中。此文根据泰勒级数展开粘滞声波方程,建立了位移场时间二阶离散格式,将CCD8用于对位移场空间导数的求取。然后,对CCD8格式进行稳定性研究,频散的压制效果对比分析,及截断误差对比。将CCD8格式运用于均匀介质模型以及水平层状介质模型中进行数值模拟,最后运用于对Marmousi模型的数值模拟中。研究结果表明：(1)CCD8与普通八阶紧致差分相比,具有更小的截断误差、更高的模拟精度以及低数值频散的优势;(2)CCD8具有较高稳定性;(3)采用完全匹配层(PML)对人工边界进行处理后对均匀介质、含有层状介质以及Marmousi模型进行粘弹声波方程的数值模拟,发现模拟效果不错,从而验证了方法的实用性和有效。     

任意裂隙方位双相HTI介质的地震波方程及正演模拟

基于BISQ方程的高频极限,导出了适用于任意方位角的双相HTI介质波动方程,推导了该方程在交错网格空间中求解的高阶有限差分格式和对应的完全匹配层(PML)吸收边界条件,实现了该类介质的地震波场正演模拟。模拟结果表明,该方法能准确模拟地震波在双相HTI介质中的传播过程,得到高精度的波场快照和合成记录。分析得出:在双相各向异性介质中,弹性波的传播仍表现出各向异性特征;孔隙度、粘滞系数和固液耦合密度主要影响慢纵波的振幅和形态。     

PML吸收边界条件中的角点处理方法

在波动方程的数值模拟中,有限区域建立人工边界吸收边界条件,其中对计算区域角点的处理也是不能忽视的一个问题。PML是一种新的吸收边界条件,这种吸收边界条件几乎达到零反射。重点讨论在使用PML边界条件时,针对计算区域的不同的划分方法做了比较,从而在实际应用中得到更好的数值结果。     

弥散黏滞性波动方程的吸收边界算法

针对地震波数值模拟中因计算区域有界而产生的人工边界反射问题,提出了一种弥散黏滞性波动方程的吸收边界算法.在所研究的有界计算区域周围加入合适的吸收层,使得吸收层内的地震波随传播距离指数衰减而达到吸收边界反射的目的.利用傅里叶变换求得无界空间该波动方程的解;引入衰减函数构建有界空间相应的辅助方程,合理地选择衰减函数使得计算区域内辅助方程的解为原方程的解,而边界吸收层内的解呈指数衰减;运用有限差分法在均匀介质和均匀层状介质中求解弥散黏滞性波动方程,采用该方法对边界进行处理并与未加边界处理的波场快照和地震记录进行对比.实验结果表明,所提方法处理后的波场快照几乎无边界反射波存在,在空间位置为x=147 m、z=747 m的地震记录中,0.5s处边界反射波的振幅趋于0.所提方法也适用于声波方程和Stokes方程.     

一种截断Cole-Cole色散媒质CPML的FDTD方案

近年来,基于帕德(Padé)近似法,一种面向一般Cole-Cole色散媒质的时域有限差分(FDTD)方案被提出.为了应用该方案处理实际的电磁问题,发展了一种对应的卷积完全匹配层(CPML)吸收边界.该吸收边界具有复杂度低的优势,便于问题空间和吸收边界的统一处理.通过一维、三维2个算例,初步证实了该边界的良好吸收效果.     

自适应大时间步长格式在一维浅水方程中应用

针对一维浅水方程提出了一种自适应大时间步长格式,具有较高计算精度和计算效率。在本格式中,依据波头与波尾传播速度差的绝对值,确定稀疏波近似波数。当波头与波尾速度相近时,稀疏波采用双波近似,以提高计算效率;当波头与波尾速度差距较大时,稀疏波采用十波近似,以获得较高计算精度。同时通过数值结果对比发现随机选取法（random choice method,RCM）可以有效抑制平台区域的震荡,但随着courant friedrichs lewy（CFL）数和时间的增加,RCM对间断处短波震荡抑制效果逐渐减弱。     

广义正则长波方程隐式差分格式

首先提出了一个求解广义正则长波方程的新的守恒的隐式差分格式,引入了参数η(0≤η≤1),并对该格式作了稳定性与收敛性分析,格式的截断误差为O(τ2+h2)数值结果表明,该方法具有较高的精度,是有效的,可靠的。     

求解声波方程的高精度NAD方法及其波场模拟

通过引入高阶精度的近似解析离散算子,给出了一种求解声波方程的八阶NAD方法.数值误差分析和计算效率结果显示,与四阶LWC方法和八阶LWC方法相比,八阶NAD方法具有高数值精度、高计算效率和低存储量.应用NAD方法模拟地震波在复杂非均匀3层介质和Marmousi模型中的传播,数值结果表明该方法能有效压制数值频散,具有较强的地震波模拟适用能力.     

宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料设计

超材料具有传统材料所不具备的超常物理性质,对电磁场、声场等物理场可以实现自由调控。设计了一种由多尺寸的亥姆霍兹共振器和多尺寸的金属谐振结构组成的宽频吸声兼容电磁吸波的多功能超材料,实现了对声波和电磁波的宽频双吸收。仿真结果表明：文中提出的超材料在690~927 Hz范围内具有0.8以上的高吸声系数,在9.11~11.10 GHz范围内对微波具有0.8以上的吸收系数。所提出的多功能超材料对于声波及电磁波均具有宽频、高效的吸收作用,在噪声污染防治和电磁防护方面有潜在的应用价值。     

The relationship between short-range motion of atmosphere and ocean and conservative and nonconservative scheme

Taking one-dimensional shallow water wave equation as an example, a comparative analysis on the computational stability related to the short-range motion of atmosphere and ocean is carried out for the conservative and nonconservative scheme, and it is pointed out that the computational stability of conservative scheme is absolutely different from that of the nonconservative scheme. The relationship between the short-range motion of atmosphere and ocean and the conservative and nonconservative scheme is further discussed. The constructed conservative scheme is proved to be stable by the numerical experiment for the short-range motion of atmosphere and ocean while the CTCS scheme is unstable. So that the conservative scheme for the solution of this kind of problem has more advantages.     

A rotated staggered grid fi-nite-difference with the ab-sorbing boundary condition of a perfectly matched layer

The numerical modeling of the elastic waves in real- istic media is of importance in geophysical exploration and ultrasonic detection. Synthetic elastic wave data can help with the interpretation of field data, under- standing the mechanisms of seismic wa…     

基于M-PML边界的Lebedev网格起伏地表正演模拟方法及稳定性分析

贴体网格作为一种"边界拟合网格",能改善传统有限差分处理起伏地表时由阶梯状网格存在所产生的虚假绕射。此外,完全匹配层(PML)技术被证明是一种能够有效消除虚假反射的重要边界条件,但采用自由地表模拟面波时,传统PML易产生不稳定现象。为实现起伏地表自由边界条件下稳定的地震波场模拟,发展一种基于弹性介质的全交错-Lebedev网格有限差分方法,并将边界条件扩展为多轴完全匹配层(M-PML)。在实现算法的基础上,通过模型试算验证新方法的正确性;并对比几种不同完全匹配层技术的稳定性差异,解释PML边界产生不稳定的机制。正演模拟结果表明,M-PML在处理起伏地表面波模拟中有更好的稳定性。     

求解一维对流扩散反应方程的一种隐式差分格式

提出了数值求解一维非稳态对流扩散反应方程的一种隐式差分格式。首先将模型方程利用指数函数转化为对流扩散方程,构造它的差分格式,然后对差分方程的系数进行相应处理,并进行回代,得到对流扩散反应方程的隐式差分格式,其截断误差为O(τ2+h2),采用von Neumann方法证明了格式是无条件稳定的,并且由于每一时间层上只用到了3个网格点,所以可直接采用追赶法求解差分方程,数值结果显示了算法的有效性。     

一种分数阶导数阻尼下随机振动结构的数值模拟方法

提出了一种针对分数阶导数阻尼下随机振动结构的数值模拟方法。在对分数阶导数各种经典定义比较的基础上,首先指出了对分数阶导数进行数值计算的难点在于其对历史数据的全局依赖性。然后,对于受分数阶导数阻尼的随机振动结构,利用Riemann-Liouvill定义与Grunwald-Letnikov定义之间的关系,给出了一种对分数阶导数进行数值模拟的方法。通过合理地截断来缩短分数阶导数对历史数据的记忆,从而有效提高计算效率。最后,以分数阶导数阻尼下受高斯白噪声激励的线性随机振动结构为数值算例阐明了所提出方法的有效性。     

解声波散射问题的一种优化PML方法

提出一种解声波散射问题的优化完全匹配层(PML)方法, 该方法通过选取一类特殊的吸收函数构造散射问题的PML. 结果表明, 只要适当选取足够小的参数ε_0, 计算精度不依赖于PML的厚度δ; 对于给定的厚度δ, 通过选择参数ε₀可提高计算精度. 数值计算结果表明了该方法的有效性和准确性.     

计算开洞穴电磁散射问题的一种优化PML方法

通过选取一类特殊的吸收函数, 即在有界区域中其积分发散的函数, 给出TM极化和TE极化情形下的洞穴电磁散射优化PML算法. 通过在洞穴开口上方构造矩形PML层, 把无界的散射区域截断为有界的计算域. 优化的PML方法对PML层的厚度要求较低, 并且在洞穴开口较大时, 用矩形替代半圆可减少离散化问题的规模, 从而降低计算量, 提高计算速度. 数值计算结果表明, 优化的PML方法在开洞穴计算问题上有效且准确.     

基于多分辨率的时域方法在微波集成电路中的应用

将基于多分辨率分析的时域方法（ＭＲＴＤ）用于微波集成电路中多层介质导体互连线的时域电磁场分析,推导了基于ＭＲＴＤ的一阶Ｍｕｒ＇ｓ吸收边界条件的差分格式,进而采用理想匹配层（ＰＭＬ）技术形成吸收边界,使适用范围从原来的封闭系统推广到开放系统．用此方法对微波集成电路互连线进行了分析,结果与传统ＦＤＴＤ比较一致．由于ＭＲＴＤ方法的色散特性较好,则可用比ＦＤＴＤ少得多的网格数来模拟电磁结构,从而达到与ＦＤＴＤ相同的计算精度