弹性波方程的紧致差分方法

在对弹性波方程进行数值模拟时 ,低阶差分格式往往产生严重的数值频散 ,高阶显示差分格式需要用较多的网格点 ,不利于边界的处理。而紧致差分格式吸收了它们的优点 ,弥补了它们的不足。为此该文应用紧致差分格式的思想 ,发展了二维情况下弹性波方程初值问题的紧致差分方法 ,研究了它的稳定性 ,并用 Fourier方法分析了显示差分格式和紧致差分格式的相速度误差 ,最后利用紧致差分方法在粗网格条件下对地震波传播进行了数值模拟 ,并同五点四阶中心差分方法的计算结果进行了对比。结果表明 ,求解弹性波方程的紧致差分方法有效 ,且具有比同网格点差分格式更高的计算精度和较小的数值频散。     

基于紧致交错差分格式的二维声波及黏滞声波方程数值模拟

针对常规网格差分难以适用于地震波场数值模拟中复杂介质的问题,首次将紧致交错有限差分格式应用于黏滞声波方程的数值模拟研究并同声波方程的数值模拟进行了模拟精度、频散关系和稳定性分析等方面的比较。理论研究结果表明：当差分精度相同时,紧致交错网格所需节点数要少于常规的中心差分和交错差分格式,计算效率更高;同常规的交错差分与中心差分格式相比,紧致差分的截断误差更小,数值频散也更低,能够适用于粗网格计算;差分精度相同情况下时进行数值模拟,紧致交错格式所需要的时间网格更小,稳定性条件也更为严格;紧致交错差分格式在完全匹配层(perfectly matched layer, PML)条件下,能够对边界反射进行有效吸收。最后,对均匀、水平层状介质以及Marmousi模型进行了黏滞声波方程的数值模拟和波场特征分析,实验结果证明了该方法对于复杂介质的数值模拟的适应性和有效性,并具有较高的模拟精度及计算效率。     

任意偶数阶精度交错网格声波方程数值模拟

以波动理论为理论基础,利用泰勒级数展开推导出了一阶应力-速度声波方程组的空间任意偶数阶精度交错网格差分格式。选用衰减边界条件,进行了边界效果对比及差分精度选取测试。结果表明差分精度越高,频散越弱,数值模拟的效果越好。应用空间八阶、时间二阶精度差分格式,实现了各向同性介质模型的声波方程数值模拟。正演模拟结果可以清晰地反映出声波波场中波传播的运动学和动力学特征,可推广应用于三维声波高精度波场正演模拟中。     

和谐WAF格式在带干河床浅水波方程中的应用

采用二阶精度和谐的加权平均通量（WAF）格式对浅水波方程中的间断解和干湿边界问题进行了研究．用基于HLL求解器的WAF格式近似数值通量,中心差分格式离散地形源项,在干湿边界处重新定义数值河床,保证格式是和谐和扩展和谐的．最后模拟了带激波和干湿边界的浅水问题,精确地捕捉到了激波和干湿边界面,验证了该格式具有高分辨率、无振荡以及正确模拟干湿边界的能力．     

非均匀介质地震波传播交错网格高阶有限差分法模拟

采用常规的二阶声波方程有限差分方法对于非均匀介质进行了数值模拟时，其数值模拟精度较低。而采用一阶双曲型标量波动方程，则无须对介质的弹性常数进行空间求导。根据Taylor级数展开式，推导出了交错网格一阶空间导数的任意偶数阶精度展开式和相应差分系数计算式以及一阶双曲型标量波动方程交错网格任意偶数阶精度差分格式，并给出了该差分算法的稳定性条件。用该差分算法对均匀介质模型、非均匀介质模型和Mannousi模型进行了数值模拟试验，并与伪谱法进行了对比。结果表明，一阶双曲型标量波动方程交错网格高阶差分法的模拟精度与伪谱法的精度非常接近，计算效率高，且适合于模拟非均匀介质、复杂构造和复杂地质体的地震波场。     

两相渗流驱动问题有限元—特征线修正差分格式及理论分析

研究多孔介质中可压缩可混溶两相渗流驱动问题的计算方法：压力方程用有限元方法求解，饱合度方程用特征线修正有限差分方法求解，构造了全离散数值计算格式，证明了最佳收敛阶     

非等距网格高精度差分方法用于气动声学问题计算

研究了非等距网格下高阶精度有限差分方法用于气动声学问题的可行性．通过Taylor级数展开法构造了不等距网格下的七点六阶精度空间离散格式，分析了格式适用的波数范围，时间积分采用显式四阶精度推进格式，可直接计算非定常欧拉方程用于气动声学问题．算例采用随机变化的网格间距，对一维单波方程和球形波方程进行了计算，验证了非等距网格格式模拟波动问题的能力．对二维情况，计算了亚音速均匀流中初始声、涡和熵脉冲波问题，得到了很好的结果．     

Kirchhoff积分波场延拓基准面静校正方法研究

从声波方程出发，用Ｇｒｅｅｎ公式构造出用于波场延拓的声波方程Ｋｉｒｃｈｈｏｆｆ积分解后进行基准面静校正。叠前和叠后的模型计算实例说明了该方法的有效性及其存在的问题，最后讨论了引起问题的原因及解决问题的办法。     

数值计算用于瞬态四波混频理论分析

采用差分方法数值求解瞬态四波混频耦合波方程，给出两种差分格式并进行数值计算，所得结果与实验基本相符。     

求解非稳定传热传质问题的有限差分方法

非稳态传热传质计算问题是化工过程中经常遇到的课题,本文针对此类问题的求解,在给出两类构造抛物型偏微分方程有限差分格式的一般化方法的基础上,应用这些方法构造了求解传热传质问题的有限差分格式,并建立了近10个新的差分格式。使用这种方法来建立差分格式,可以使差分方程,逼近偏微分方程具有尽可能高阶的截断误差,对于寻找高精度、低计算量的有限差分方法提供了一种可行的有效途径。     

拟地震法电磁波场有限元法正演模型

在电法勘探正演模拟中,利用有限元法提出了电磁波在二维电阻率介质模型中的传播特征。我们将电磁波波动方程与声波波动方程类比,运用适当的近似,取等效方程中相同的主要项,利用适当的边界条件,则电磁波场问题可化为类似于地震波场问题,从而可用地震资料处理技术中的任何方法去完成。我们选用的是波动方程有限元方法。计算可在频域也可在时域进行去模拟二维电阻率分布的响应即电场视剖面。实例表明:正演结果所得到的二维电阻率成像剖面与实际的二维电阻率分布完全相吻合。结果表明利用有限元进行电阻率成像是切实可行的。     

弹性介质Hamilton正则方程与声波方程辛几何算法

建立弹性介质的Hamilton正则方程,把声波介质视为特殊的弹性介质,由弹性介质Hamilton方程导出声波介质地震波方程,对声波方程Hamilton化后给出其蛙跳格式的辛差分算法。将声波方程辛算法应用于二维情况下的地震波场正演数值模拟计算,并与常规的有限差分算法进行比较。结果表明,在地震波场正演数值模拟计算中辛几何算法比常规有限差分算法更具优越性。     

全火星模型中震波传播特征的数值模拟研究

采用基于交错网格的傅里叶伪谱与有限差分混合方法, 求解弹性波动方程, 根据地球化学分析得到的两个火星理论结构模型, 模拟二维全火星模型中P-SV波和SH波的传播过程。根据理论地震图和波场快照, 讨论全火星模型中震波的传播过程以及各种震相的产生和演变, 分析模型内部火星壳厚度以及火星核幔边界深度对震波传播的影响。结果表明, 在低速火星壳内部多重反射波及转换波的相干叠加会形成很强的波列, 其特征受火星壳厚度的影响较大, 在切向分量上可以更清晰地观测到核幔边界的反射震相。     

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。     

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.     

三维波动方程的数值频散关系及其叠前和叠后数值模拟

采用适于三维各向同性介质正演的有限差分格式 ,对声波方程进行了差分离散 ,导出了差分格式的数值频散关系。研究表明 ,三维正演的数值频散主要受差分精度及网格空间步长的影响 ,尤以后者影响更甚。在相同的条件下 ,剖分步长越大及差分精度越低 ,数值频散现象越明显。研究还表明 ,剖分网格有低通滤波作用 ,因而在正演时应使激发源的主要频率远离网格的截止频率 ,以保证精度。在此基础上对某地质模型进行了叠前和叠后数值模拟。计算结果表明 ,叠前模拟能够比较真实地反映地震波在地下介质中的传播规律 ,但计算量过大 ;叠后模拟时 ,爆炸界面法能较好地反映地下反射界面形状 ,但不宜计算较大的模型 ;平面波照射法可用于计算较大的模型 ,且能较好地反映波的动力学特征 ,但不能精确地反映界面形态     

一种易用于抛物线方程的非局部边界条件

提出一种将非局部边界条件用于抛物线方程的方法,该方法不仅可以处理各个角度波的入射问题,而且可以直接应用于PE的各种算法中,数值结果表明用NLBC处理平面波的传播时,计算结果与实际符合得较好。     

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。     

交错网格Lowrank有限差分及其在逆时偏移中的应用

研究交错网格Lowrank有限差分方法,分析该方法的精度和频散关系,并将其用于逆时偏移成像。交错网格Lowrank有限差分法通过在交错网格上匹配波场延拓算子的谱响应得到优化的差分系数。将交错网格Lowrank有限差分法用于构建地震波场,处理PML边界条件,给出用其实现逆时偏移的步骤,通过复杂模型试算验证方法的有效性。平面波理论频散分析表明,该方法能在较宽的波数范围内精确拟合频散关系,具有精度高、稳定性条件相对较宽等优点。数值结果表明,交错网格Lowrank有限差分逆时偏移能够对复杂构造进行准确成像,在保证成像精度的前提下节省计算量,具有较好的应用价值。     

Kdv浅水波方程的Crank-Nicolson差分格式

对非线性发展方程数值求解有着重要意义,而非线性发展方程中,Kdv浅水波方程是最典型的非线性色散波动方程的代表。针对Kdv浅水波方程的定解问题,用Crank-Nicolson差分法求解,该法具有良好的稳定性及二阶收敛性,并能数值模拟出孤立波这一物理现象,说明该差分格式是有效的。