三维各向异性介质中弹性波方程交错网格高阶有限差分法数值模拟

三维数值模拟是研究各向异性介质中复杂弹性波波场特征和传播规律的重要手段。根据Taylor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有限差分近似式和相应的差分系数计算式，给出了三维各向异性介质中弹性波一阶双曲型应力-速度方程交错网格任意偶数阶精度差分格式和稳定性条件，并推导出了三维各向异性介质PML法吸收层边界条件公式和相应的交错网格差分格式。对方位各向异性介质模型和正交各向异性介质模型中弹性波的传播进行的三维数值模拟结果表明，弹性波在三维各向异性介质中传播时存在拟P波、拟SV波和拟SH波，并出现横波分裂、横波分裂盲区、波面三分叉等特殊现象，另外，弹性波场在空间是变化的，其拟P波、拟SV波和拟SH波的耦合关系比较复杂。     

基于双孔模型的含流体各向异性介质地震波场数值模拟

裂缝的存在是诱导地下介质产生各向异性的主要原因,而裂缝中的流体则能够对地震波产生十分明显的能量衰减。本文基于双重孔隙介质理论,对含流体各向异性介质的地震响应特征进行了数值模拟,发现双孔介质的各向异性与介质的渗透率、裂缝密度、有效压力和频率均有重要联系。基于衰减各向异性理论,推导了含流体各向异性介质二维三分量应力-应变关系,结合旋转交错网格有限差分法,通过数值模拟给出了双孔介质中地震波的传播规律,结果表明裂缝密度的增大能够显著地增强介质的各向异性,使得q P波和快慢q S波垂直或平行于裂缝面的波前面均更接近椭圆,且流体的存在能够对q P和q S波相速度造成较为显著的衰减。     

地震波横波分裂现象的数值模拟特征

开展了横波分裂的机理、横波分裂的影响因素及横波分裂的可识别条件等3个方面的研究。采用交错网格高阶有限差分法,对垂直裂缝介质中地震波的传播特征进行了数值模拟。研究结果表明:由于入射横波在裂缝介质中存在两个正交极化分量导致横波分裂现象的发生。横波分裂的因素与震源、传播介质、分界面、观测系统等有关。横波分裂可识别的条件是:采用剪切力源或集中力源及VSP或井间地震观测系统,更容易识别横波分裂现象;对于非均匀各向异性介质,如果观测方位合适,会观测到横波分裂和再分裂现象,该项工作对实际中裂隙检测和地震波多波多分量勘探有一定的理论指导意义。     

聚合物驱黏弹效应影响因素的数值模拟研究

在前人黏弹效应实验研究成果的基础上，结合大庆油田注聚合物的生产实际，利用自行研制了黏弹机理数值模拟软件对黏弹效应影响因素进行了定量和系统的研究，揭示了聚合物注入速度、质量浓度、用量、地层水含盐度和地层非均质条件对黏弹作用效果的影响规律，其研究结果为油田现场制定聚合物驱油方案，动太预测及黏弹效应评价提供了重要依据。     

基于流体替换的地震波场数值模拟与分析技术*

提出了一套综合地质模型的精细建模方法、弹性波动方程叠前正演方法、叠前深度偏移方法、储层流体替换方法的地震波场数值模拟与分析技术,该技术首先采用多次循环计算与分析的地质模型建模方法,建立目标地震剖面准确的地质模型和参数模型;然后采用流体替换方法计算储层在各种流体饱和状态下的等效参数;并采用新的参数模型进行地震波场数值模拟,获得各种流体饱和状态下储层的地震反射波场特征。渤海某地区应用实例的结果表明,该技术不仅可以获得准确的油藏模型;而且可以有效地获得油、水层的地震响应特征,有效地指导后续的储层与油水识别,具有重要的理论和实际应用价值。     

TI介质地震波场数值模拟边界条件处理

地震波场数值模拟研究中,边界条件处理非常重要,它直接影响模拟地震数据的精度.针对TI(Transversely Isotropic)介质一阶速度—应力弹性波动方程组,利用时间域分裂法给出了PML(Perfectly matched layer,完全匹配层)吸收边界条件,其基本思想是在所研究的区域外引入吸收层,地震波从有效计算区域传播到吸收层时不发生任何反射,且在吸收层内按传播距离呈指数衰减,不发生反射.利用交错网格高阶差分技术对PML吸收边界条件求解,对比不同边界条件数值模拟结果表明,PML吸收边界条件较应用广泛的Clayton吸收边界有更好的吸收效果,能更好地满足地震数值模拟的需要.     

随钻地震波场高阶交错网格有限差分数值模拟

 随钻VSP是利用钻头振动噪声作为震源,在地面布设检波器进行信号接收的一种新的物探技术。基于随钻地震波场的空间传播特征,从一阶速度-应力波动方程出发,利用高阶交错网格有限差分,模拟出不同炮点深度和不同偏移距情形的随钻地震波场,研究随钻地震波场的空间传播规律和特征。结果表明,数值模拟可以有效的解决现场试验周期长,费用高,地下结构未知因素多等问题,为随钻地震技术研究提供了一种高效的手段。     

上覆地层形态对目的层成像振幅的影响

当前的叠前时间偏移等方法可以得到较准确的地下构造成像,但是受上覆地层的影响,从偏移剖面中提取的振幅属性无法真实的反映出目的层的岩性变化。虽然人们已经认识到上覆地层确实会对目的层成像后的振幅产生影响,但对于上覆地层构造和目的层成像振幅之间的关系却没有得到系统性的认识。经过叠前时间偏移后得到的目的层成像振幅结果等价于震源波场正向传播时目的层的能量分布。基于这一结论,使用波动方程正演方法来替代叠前时间偏移方法,借助于GPU高性能计算,通过不断将三维模型复杂化,初步认识了上覆地层构造的复杂程度和上覆地层对目的层成像振幅的影响程度之间的关系,为进一步分析上覆地层形态对目的层成像振幅的影响奠定基础。     

基于Brown构型场的黏弹性流体数值模拟算法

基于黏弹性流体的微宏观耦合模型,提出一种求解Brown构型场方程的含双参数的预估校正数值方法,并通过突然起动的平板Couette流动验证所提出方法的有效性.数值结果表明,所提出的含双参数预估校正方法所得到构型场的应力演化的随机误差大幅度下降,应力场时间演化更加平稳.     

聚合物驱黏弹效应影响因素的数值模拟研究

在前人黏弹效应实验研究成果的基础上 ,结合大庆油田注聚合物的生产实际 ,利用自行研制的黏弹机理数值模拟软件对黏弹效应影响因素进行了定量和系统的研究 ,揭示了聚合物注入速度、质量浓度、用量、地层水含盐度和地层非均质条件对黏弹作用效果的影响规律 ,其研究结果为油田现场制定聚合物驱油方案 ,动态预测及黏弹效应评价提供了重要依据 .     

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。     

旋转交错网格在横波分裂和再分裂模拟与分析中的应用

横波分裂可以用来探测地下介质的方位各向异性特征,如地幔流动方向、地壳内断层和应力的方向,以及近地表裂缝发育方位等,在地球深部结构探测和油气田勘探中具有重要作用。由于地下一般存在多层方位各向异性介质,记录的横波可能发生过多次分裂,因此,采用正演方法对横波分裂和再分裂进行数值模拟与分析,对于横波分裂反演和地下横向结构探测具有重要意义。旋转交错网格由于将速度和应力的不同分量置于同一网格点,可以避免各向异性参数的插值,正演更为精确。因此,采用旋转交错网格对方位倾斜横向各向同性介质的一阶速度-应力方程差分离散,并构造完全匹配层边界,实现了多层方位各向异性介质多分量逆VSP资料的正演;然后以此为基础,分析了横波发生分裂和再分裂时分裂参数随方位变化的规律;最后采用层剥离策略对多层方位各向异性进行反演和补偿,并探讨了层剥离方法的应用条件和技巧。     

基于粘弹性理论的沥青混合料劈裂疲劳寿命预测

以粘弹性理论为基础,用拟应变来代替实际应变,建定了劈裂疲劳的破坏标准,推导了沥青混合料劈裂疲劳寿命预测模型。通过劈裂蠕变试验确定了蠕变柔量、m值、松驰模量以及拟应变等模型参数,预测了AC13沥青混合料在0.1和0.15应力比下的劈裂疲劳寿命。最后经劈裂疲劳试验验证,修正了预测模型。结果表明,预测模型可以较为准确预估劈裂疲劳寿命,其离散性小于传统的劈裂疲劳试验;可以大幅度减少试验量,节约试验时间;推荐的修正系数k为0.757~0.713,可供今后研究参考。     

弹性波的反射与折射

在Ｈｏｏｋｅ定律基础上研究了各向同性介质中波在自由面的反射及在两种介质分界面上的反射与折射。得出反射液、折射波的性质与入射波的种类、两种介质的性质及入射角的关系。     

基于数值模拟的网络安全风险量化参数优化分析

为了解决传统方法无法得到有效参数,导致建立网络安全风险量化模型量化精度低的弊端,通过数值模拟方法研究了网络安全风险量化参数优化问题。针对主机风险计算,依据主机所处状态对风险向量进行定义,通过加权计算得到合理的权重函数,将主机直接风险值和间接风险值结合在一起,获取主机风险值。将主机风险值相加求和,求算数平均值,获取网络在某时刻的平均风险值。针对风险值中的复杂函数,采用引入时延的支持向量机方法建立网络安全风险量化模型,对其进行描述。针对建立的网络安全风险量化模型中的重要参数惩罚因子和核函数宽度系数,采用蚁群算法进行初寻优,对待优化参数进行数值模拟,得到最优惩罚因子为10,最优核函数宽度系数为0.112。结果表明：采用所提方法对网络中主机1进行安全风险量化,得到的结果和主机1实际风险情况相符,研究其它主机可得到相同结论;所提方法对网络安全风险量化值和实际结果最为相符;所提方法量化结果误差最低。可见所提方法参数优化性能优,对网络安全风险量化精度高。     

红河断裂以西大理‒永平地区上地壳各向异性分层特征

对中国地震科学台阵探测项目一期于2011—2013年布设在红河断裂以西大理永平地区的5个流动台站进行横波分裂研究, 分别得到18, 14, 7, 9 和5个横波分裂参数测量结果, 并使用更精确的实际横波路径, 通过过量归一化方法进行改正, 研究该区域各向异性分层特征。结果显示, 研究区上地壳10 km深度之上存在各向异性强度大小相间的3层各向异性层, 其中第2层各向异性强度最小, 厚度为2~2.4 km; 第1层各向异性强度稍强, 厚度为4.1~5.0 km; 第3层各向异性强度最强。各向异性分层特征与前人在该区域的大地电磁测深结果吻合。结合滇西地区地壳中的低速异常、低电阻率和低Q值现象, 认为第3层的强各向异性是地幔物质上涌造成裂隙发育以及热流上传所致。     

基于积分方程方法的弹性波数值计算

本文运用积分方程方法计算了单个圆柱或椭圆柱对弹性波的散射.首先,建立了散射位移场满足的积分方程,并推导了单个圆柱或椭圆柱散射体的散射截面计算公式,然后用Matlab进行了编程,给出了一个数值算例,并将计算结果与波函数展开法进行了比较.与波函数展开法相比,积分方程方法对柱型散射体的横截面形状没有限制,适合对非规则截面的柱型散射体进行计算.     

基于弹性地基梁理论的端面顶板稳定性分析

端面冒顶一直是影响工作面安全高效开采的一大技术难题。采用弹性地基梁理论建立了端面顶板挠度微分方程,并运用PHASE 2D有限元软件建立了端面顶板稳定性数值模型,获得了煤层埋深、支架刚度、煤体刚度等因素对充填开采工作面端面顶板稳定性的影响。研究结果表明：采深越大或液压支架刚度越小,端面顶板下沉越明显;煤层地基系数或顶板弹性模量增大时,端面顶板下沉有所减小,但影响较为有限;从可行性考虑,提高液压支架刚度,可以有效控制工作面顶板变形,降低端面冒顶及煤壁片帮的风险。煤层埋深从200 m增加至250、300 m时,工作面前方塑性区宽度及支承压力显著增大,直接顶最大下沉量分别为61、78、96 mm。煤层弹性模量从2 500 MPa增大至3 500、4 500 MPa时,工作面前方支承压力峰值略微增大,工作面前方煤体塑性区宽度也略微增大;直接顶下沉量略微减小。现场观测表明,充填开采条件下支架阻力较小,工作面区域矿压显现不明显,顶板下沉得到有效控制。     

压电智能驱动器力学模型的建立及数值模拟

基于PZT逆压电效应和结构动力学波动原理,建立粘贴式PZT驱动器与主体结构耦合简化力学模型及数学模型;考虑粘结层阻尼效应,建立PZT驱动方程并求解输出力表达式,确定驱动器力学与电学特性的对应关系;通过胶层材料特性、传递的切应力及其厚度变化对PZT驱动性能的影响进行算例分析,拟合出胶层传递剪切力与胶层厚度关系曲线,证明了运用所建立的驱动模型能有效地模拟检测PZT的逆压电规律,可为利用压电智能驱动器控制工程结构检测提供理论依据.