一种模拟弹性波在层状地基中传播的简化高阶双渐近透射边界

在强烈地震作用下,层状地基与结构之间的动力相互作用将对结构的动力响应产生重大影响,其难点是模拟波动在无限层状地基中传播引起的辐射阻尼效应.基于比例边界有限单元法(SBFEM)构建的层状介质标量波高阶双渐近透射边界能够在全频范围内快速收敛到准确解,具有很高的计算精度和计算效率,并且具有良好的数值稳定性.以二维水平等高层状地基为研究对象,将弹性动力学方程强行解耦得到两个独立的标量波方程,基于解耦的标量波方程构建了一种层状地基弹性波传播模拟的简化高阶双渐近透射边界.同标量波高阶双渐近透射边界一样,该透射边界具有良好的计算性能.数值算例结果表明,该透射边界对底部为固定边界条件的水平层状地基具有良好的模拟精度.     

基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法

建立了一种基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法，并基于此方法对弹性机翼进行了静气动弹性分析．基于机翼几何实体模型建立了三维气动力模型，利用高阶面元法计算气动力，通过模态法实现气动与结构的耦合，以AGARD445．6机翼和一个小展弦比机翼为研究对象，分析了机翼结构弹性变形对气动力的影响．本文重点研究了机翼的气动力系数、翼根载荷、结构变形、不同展向位置的压力分布等参数的变化趋势，并将部分结果与风洞试验、基于风洞试验气动力所得弹性结果进行了对比．结果表明：高阶面元法计算所得气动力具有较高的精确性；基于高阶面元法与模态法的静气动弹性分析方法具有可行性、可靠性和高效性，可以提供较为全面的静气动弹性数据为飞机初步设计参考．     

Rayleigh波斜入射下层状场地中凸起地形的三维响应分析

采用间接边界元法研究了层状场地中凸起地形对斜入射Rayleigh波的三维响应问题.该间接边界元方法结合层状半空间中移动斜线均布荷载动力格林函数基本解,克服了传统边界元法中的奇异性问题,刚度矩阵运算的引入则避免了对土层交界面和自由地表的离散,使得该方法具有很高计算精度的同时对复杂边界有着很好的适应性.通过与已有结果的比较验证了方法的正确性,并以均匀半空间和基岩上单一土层中凸起地形为例,分别在频域和时域内进行了计算分析,研究了Rayleigh波的斜入射角度、入射频率、凸起的截面形状、凸起的高度、特别是Rayleigh波的频散和多模态特性对地面动力响应的影响.研究表明层状场地中由于Rayleigh波存在频散和多模态特性,使得凸起表面的动力放大效应与均匀场地情况存在明显的差别,层状场地高阶模态(二阶以上模态)凸起水平位移幅值放大谱与第一阶模态存在很大差异,呈现窄频放大,峰值频率处凸起顶部附近位移幅值非常大,且峰值频率与对应有效阻尼比峰值频率一致.     

球坐标系下入射与散射声场分离理论

通过球面波谱变换, 将包围散射体的两同心球面上的声压分解为一系列传播形式已知的球面波单元, 再利用波场的外推规则建立了两球面上相同阶次的球面波单元间的关系, 在波数域中建立了球坐标系下入射与散射声场分离公式; 运用分离得到的散射声压, 即可重建和预测整个散射声场. 为了克服声学逆问题的不适定性, 提出了一种波数域的滤波技术; 并且从理论上证明只需保证两全息球面足够接近就能克服分离公式的奇异性问题. 数值仿真的结果充分证明了该分离理论的可行性和有效性.     

等离子体中尘埃粒子对电磁波的吸收效应

基于Mie-Debye散射模型研究了等离子体中的尘埃粒子对电磁波的吸收效应. 计算了Debye散射场的无旋分量及由它引起的入射电磁波的能量损耗. 结果表明: 温度越低, 等离子体密度越高, Debye散射场的无旋分量产生的吸收截面越大; 对于较低的频率电磁波, 尘埃等离子体的散射主要表现为Debye散射, Debye散射场中的无旋分量引起的能量吸收不可忽略, 它引起的吸收截面对波的传播有重要影响.     

基于自然边界元与有限元耦合的重叠型迭代算法

了更充分地利用有限元与自然边界元各自的优点，并尽量减少由于方法的局限性造成的在计算量及计算精度上的不足，本文引入了有限元与自然边界元耦合的方法。在文中简单介绍了自然边界元法及其与有限元耦合的原理，通过设置含有重叠区域的圆形人工边界，实现自然边界元与有限元的耦合，并把该方法应用到无界区域的实际算例中。从计算结果的比较中可以看出自然边界元与有限元耦合算法的收敛速度更快，充分体现了耦合法在解决无界区域问题上的优越性。     

变截面纳米线声子输运蒙特卡洛模拟

采用蒙特卡洛(MC)方法建立了声子在变截面硅纳米线内的输运模型, 以渐扩几何体与渐缩几何体为物理模型, 分别研究了在等热量与非等热量输入条件下2种模型的热整流效应和声子的输运特性. 模拟结果表明在2种条件下, 渐缩模型的热传导性能均高于渐扩模型. 在非等热量输入的条件下, 渐缩模型的热整流效应要大于等热量输入条件下的热整流效应.2种物理模型的主要区别在于体积的分布不同, 虽然在纳米尺度下边界散射作用明显, 但模拟结果表明边界散射对热传导的影响小于质量分布不同对声子输运的影响.     

砂砾石地层隧道开挖模拟多尺度分析方法

在砂砾石地层中,围岩土体及隧道结构的变形与力学行为主要受控于开挖扰动程度及开挖扰动范围内块石细观结构的影响.结合土石混合体的细观结构分布特征,基于尺度分离与尺度耦合相结合的思想,提出了砂砾石地层隧道开挖多尺度分析方法及分析模型,继而对该分析方法中的3个关键问题,即核心区域与非核心区域的划分,核心区域内关键粒径的确定及土石混合体宏观等效物理力学参数的确定方法进行了探讨.该多尺度分析方法的基本思想是:将砂砾石地层隧道开挖模型划分为核心区域与非核心区域,在核心区域内从细观上考虑土石混合体的分布特征,在非核心区域将土石混合体视为宏观均质材料,在此基础上进行砂砾石地层隧道开挖的宏细观模拟与分析.采用该分析方法对砂砾石地层隧道开挖过程进行了多尺度模拟,从围岩土体变形与围岩压力两个角度,与砂砾石地层隧道开挖细观分析模型及宏观分析模型得到的结果进行了对比,发现本文多尺度分析方法与细观分析模型的结果吻合较好,验证了多尺度分析方法的有效性,且该方法大大减少了计算量与建模工作量,提高了计算效率.     

组合波近区频域电磁测深研究

从场的传播理论，分布特征及目前频域电磁测深理论的分析入手，找出了近区难以进行频电磁测深的物理机制。在近区场理论的基础上，通过引入组合波理论，提出了一种在近工进行双频组合波域测深的方案，给出了场的提取方法和视电阻率的定义，并探讨了计算方法。     

页岩气藏数值模拟方法评价及选择

复杂的裂缝网络给页岩气藏数值模拟研究带来巨大挑战.本文利用离散裂缝模型(DFM),分别建立微尺度模型和矿场尺度模型,研究了不同基质渗透率和裂缝开度对应条件下,不同类型裂缝对页岩气总产量的贡献率.研究结果表明:在量级约为(10–8~10–4)×10–3μm2的页岩气藏基质渗透率范围内,且存在SRV改造区的条件下,页岩气产量以SRV内人工裂缝的贡献为主,SRV内以及SRV外天然裂缝的贡献量相对较小.因此,综合考虑计算复杂度和计算精度,可通过构建基质-天然裂缝表观渗透率和连续介质模型的方法表征天然裂缝,采用离散介质模型中计算网格少、效率高的离散裂缝网络(DFN)模型表征人工裂缝.     

非视距传播环境下单站定位—圆拟合虚拟观测站法

文中提出了在非视距传播环境下,采用具有机动性的单观测站来实现对被测目标的定位.由不同的观测点计算得到的伪目标轨迹点,具有圆周运动的特性利用该运动特性,并采用圆拟合算法估计散射体的位置和散射距离,从而将单站定位问题转化为多站定位的问题,最后采用成熟的多站式定位方法来获得被测目标位置的估计.仿真结果验证了该算法的有效性.     

基于骨料几何本征混凝土干缩开裂的三维细观研究

结合激光扫描测试和三角网格折叠算法形成了基于骨料几何本征的三维骨料模型库,提出了基于拟合体的真实骨料间接投放算法,建立了干燥环境下混凝土收缩开裂研究的细观尺度数值分析模型.通过湿扩散模拟确定混凝土湿度场的空间分布,根据湿度场的变化计算混凝土试块的损伤分布,模拟结果与已有试验结果吻合良好,验证了模型的可行性.在此基础上,研究了在干燥环境下混凝土干缩裂缝的扩展机理,揭示了混凝土表面干缩裂缝发展规律与细观介质之间的内在联系.结果表明,混凝土试块棱边较表面水分损失更快,更易产生初始裂缝;混凝土初始裂缝和表面损伤点与在表面下的骨料位置重合,且受骨料离表面的距离和粒径影响;随着环境相对湿度的降低,表面裂缝发展深度不断增加,试块表面出现更多贯通裂缝和损伤点,呈现以表面下骨料位置为节点的“龟裂”形态.     

超声速混合层拟序结构密度脉动的多分辨率分析

由于超声速密度场测量十分困难,基于实验图像的超声速混合层流场的多分辨率分析一直难以实现．本文利用新近提出的基于纳米粒子的平面激光散射技术,以较高的时空分辨率测量了超声速混合层密度场结构．根据混合层拟序结构的动力学特性,以Taylor的时空转换假设为基础,利用小波分析研究了密度脉动信号和密度场图像的多分辨率特征．密度脉动信号的小波近似系数较好地反映了不同尺度下密度脉动信号的特征,相应的细节系数在一定程度上反映了各层平滑近似的差值．超声速混合层密度脉动信号不同于周期性的正弦信号,而更类似于具有分形特征的Koch曲线信号,在各个尺度上都具有一定的相似性,体现了混合层流场的分形特征．密度场图像的二维小波分解与重构给出了不同尺度的近似与细节信号,有效地分辨了不同尺度下流场的特征结构．     

树冠承照面反射辐射的分布特征

在“光在介质层中的路径散射及在下垫面的多次反弹”一文的基础上，采用针叶树承照面反射辐射分布的野外直接观测，和树冠内叶面积体密度断层重构的间接据，将求解光在有限厚度介质层中路径散射的解析近似模型。     

基于模拟有限差分的嵌入式离散裂缝数学模型

嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而能够提高计算效率.并且该模型可以将现有成熟的油藏数值模拟技术和离散裂缝网络模型有机地结合起来,能精细地模拟流体在裂缝性油藏中的流动.本文模型求解采用模拟有限差分方法,该方法基于单个网格的节点和面信息构造数值计算格式,理论上适用于任何复杂网格系统,且具有良好的局部守恒性,将其推广到嵌入式离散裂缝模型后,克服了该模型基于有限差分方法求解时不能有效处理全张量形式的渗透率以及不适用于复杂边界形状裂缝性油藏的局限性.最后通过实际算例验证了本文方法的正确性和优越性.     

声子晶体中多频带谷选择性角态

声学拓扑绝缘体具有拓扑保护、背散射及缺陷免疫的非传统声学边界态,为实现声波按需精细调控提供了一种有效的方法,其中二维高阶拓扑绝缘体中共同存在零维角态和一维边界态,使其拥有在多个维度上操纵波能量的能力,进一步增强了波调控的灵活度,引起广泛关注.本文提出了一种能够在多频带范围实现高阶拓扑态的C₃对称性元胞结构,其通过旋转散射体角度激活不同谷选择性角态.这种具有开关特性的角态可以根据需求进行声波场能量局域化调控,在实际运用中具有重要意义.相对于传统的单频带高阶拓扑绝缘体,本文所设计的元胞结构能够在基频带隙和二阶高频带隙中同时实现边界态的波导调控和角态的选择性激发,并具有优秀的缺陷免疫鲁棒性.该高阶拓扑绝缘体的多频带特性将有利于拓展传统单频带器件的工作频率范围和带宽,同时角态的谷选择性激发特点可推动声学拓扑绝缘体在多波段声波能量捕获、检测和采集声学器件中的应用.     

模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法

主要目的是概述用于模拟波在弹性固体无限域中传播的有限元与动力无穷元耦合方法.该方法可同时模拟近域介质材料的复杂性和远域介质的无限延伸性.以描述二维和三维弹性和粘弹性固体介质中的波动方程为基础,推导了动力无穷元的质量矩阵和刚度矩阵.所建立的二维动力无穷元模型可同时模拟P波和SV波在该单元中的传播;而所建立的三维动力无穷元模型则可同时模拟P波,S波和Rayleigh波在该单元中的传播.有关计算结果表明:有限元与动力无穷元耦合方法既可从物理概念上、又可从数值方法上较为精确地模拟波在弹性和粘弹性固体无限域中的传播,为解决在科学研究和工程实践中所涉及到的无限域问题提供了一种先进的科学研究工具.     

裂隙介质两相渗流数值模拟研究

以离散裂隙概念为基础建立了离散裂隙型模型,该模型通过对裂隙的降维处理提高了计算效率并适用于所有类型裂隙介质的渗流研究。详细阐述了离散裂隙型模型的基本原理及其两相渗流数学模型,基于Galerkin加权残量法建立了该模型的有限元数值计算格式。通过单裂隙中的Buckley–Leverett两相渗流算例验证了数值算法的正确性。以裂缝性油藏注水开发为例,应用离散裂隙型模型分别对2种不同类型的裂隙介质进行了实例研究。数值计算结果表明：裂隙的存在导致了岩体的强烈非均质性和各向异性,其中裂隙的方位、大小、连通性及其类别对裂隙介质两相渗流均有着重要的影响;正确认识裂隙的分布及其类别对于裂缝性油藏的开发动态研究及其注采井网的布置有着重要的实际意义 。     

斜向波与任意多个长水平圆柱的相互作用

采用多极子展开法对有限水深下线性斜向波与任意多个完全淹没的长水平圆柱相互作用的散射和辐射问题进行了研究. 首先建立由多极子线性组合表示的散射势和辐射势的级数形式的解析表达式, 然后利用Bessel函数的加法定理和物面边界条件来确定该级数表达式中的未知系数, 在此基础上, 导出了波浪力、附加质量和透反射系数的解析表达式. 采用边界元方法对本文的解析解进行了验证, 同时利用本文的解析方法研究了3种不同工况的线性斜向波与多个水平圆柱的相互作用问题. 结果表明, 圆柱个数、排列方式及其间距对波浪力、水动力学系数以及透反射系数有显著影响, 并在数值实验中发现了一些重要而有趣的物理现象.     

像元尺度离散植被的热模型及其数字图像解

讨论热辐射的多次散射对计算辐射平衡的贡献大小，然后尝试引入计算机图形学，对离散植被的四分量进行详尽的剖析，得出了四分量的双向反射分布曲线，对重 叠函数的研究获得新的进展．四分量的数字图像解得到了与中国科学院禹城实验站遥 感模拟实验一致的结果．四分量的数字图像解可方便应用于多角度热红外遥感的温度 反演．