多次透射公式的一种高频失稳机制

本文利用一维双曲型偏微分方程组初边值问题数值稳定性的ＧＫＳ定理的物理解释和推广．分析了多次透射公式在数值实现中可能出现的一种高频失稳机制。即在多维离散网格中，沿某一空间方向的外行简谐波，由于与其他空间方向节点运动的耦合效应可以使能量传播方向反向。文中通过数值试验对这一失稳机制作了初步验证。

消除多次透射公式飘移失稳的措施

基于对双曲型偏微分方程数值解稳定性的 ＧＫＳ （Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎ， Ｋｒｅｉｓｓ ａｎｄ Ｓｕｎｄｓｔｒｏｍ）准则的一种物理解释，提出了在波动数值模拟中消除多次透射公式飘移失稳的一个简单措施，并用波源问题和散射问题的数值试验检验了这一措施在稳定实现多次透射公式中的有效性．

基于混合有限元格式的完美匹配层与多次透射公式人工边界比较研究

介绍了完美匹配层(PML)人工边界可以吸收不同频率和任意角度入射波的原理以及PML人工边界的构造方法.在此基础上,将PML人工边界应用于地震波动数值模拟的速度-应力混合有限元格式中,探讨了PML应用的可行性,并通过数值试验研究了PML人工边界的反射率,比较了PML人工边界与多次透射公式(MTF)人工边界应用于体波和面波模拟中数值反射的差异,对两种边界的透射效果进行了分析.结果表明,尽管数值离散后PML人工边界不再保持完美匹配特性,但PML人工边界在近场波动数值模拟中可获得比MTF人工边界更为理想的吸收效果,在角点透射、大角度掠射情形下尤为明显;PML人工边界在混合有限元格式的数值算法中,未见失稳等不良反应,比MTF人工边界有更好的稳定性;在合理选择参数的情况下,PML人工边界的运算量可接受.

波散射问题求解中消除多次透射公式漂移失稳的一种措施

在采用多次透射公式求解结构-地基体系地震反应等波散射问题时,其稳定性是人们所关注和研究的重要方面。针对其漂移失稳机制的研究表明,在将总波场分离为入射波场和散射波场从而实现波动输入和多次透射边界条件施加的过程中,采用连续介质解析解给出的入射波场与计算中的实际入射波场存在较大差别,会导致漂移失稳现象的出现。基于此,提出了一种直观的改进措施,即利用多次透射边界建立边界计算区,从而获得入射波离散数值解,并应用于波动的输入过程。数值实验验证了该措施可以有效地消除计算中的漂移失稳现象,给出更为合理的计算结果。

多次透射公式在衰减波场中的实现

在多次透射公式的基础上 ,引进一衰减系数 ,用来模拟外行的衰减波 ,将透射公式推广到考虑衰减波入射时的情形 ;并对衰减波入射时两种极限情形下 (理想稳态和理想暂态情形 )的反射系数进行了分析 .结果表明 ,多次透射公式对弱衰减波仍可适用 ,对于强衰减波则需应用加衰减系数的多次透射公式进行透射 .最后 ,通过两相介质两个数值实验 ,验证了该边界条件在模拟衰减波时的精度 .

多次透射公式的一种稳定实现措施

基于对双曲型偏微分方程数值解稳定性的ＧＫＳ（Ｇｕｓｔａｆｓｓｏｎ， Ｋｒｅｉｓｓ ａｎｄ Ｓｕｎｄｓｔｒｏｍ）准则的物理解释，本文提出了在波动数值模拟中消除多次透射公式飘移失稳的一卜简单措施，并用波源问题和散射问题的数值试验检验了建议的稳定措施的有效性．

基于多次透射公式和无奇异边界元法模拟全非线性数值波浪水池（英文）

文章基于势流理论对全非线性的三维数值水池进行了模拟,其控制方程由无奇异边界积分方程法(Desingularized Boundary Integral Equation Method,DBIEM)进行离散求解,在求解全非线性的自由面微分方程时,文中采用混合欧拉—拉格朗日法(Mixed Eulerian-Lagrangian,MEL)和四阶Adams-Bashforth-Moulton(ABM4)预报—修正方法,为了避免结果发散即增强数值稳定性,文中采用B样条法来光顺波面。同时,在远方辐射控制面上采用多次透射公式方法(Multitransmitting Formula,MTF)来进行消波,文中得到的结果与理论解进行了比较,结果表明该方法可用来有效模拟全非线性的数值波浪水池。

多次透射公式实用形式稳定性分析

本文以二维出平面波动方程为例,利用数值方法研究了多次透射公式的实用形式的稳定问题,结果表明:多次透射公式的实用形式与波动方程的集中质量显式有限元结合,不但存在零频漂移,而且同样存在高频振荡失稳,而与中心差分方法结合仅存在零频漂移失稳。

多次透射公式飘移问题的控制方法

多次透射公式(multi-transmitting formula, MTF)是在近场波动数值模拟中一种广泛应用的人工边界条件,具有形式简单、精度可控和通用性好的优点,但高阶MTF与有限元方法相结合有时会出现飘移问题.现有的几种MTF消飘方法往往会显著地影响边界精度,为此本文提出一种新的消飘因子修正MTF格式,能够在较高精度水平下实现对飘移问题的有效控制.该方法保持MTF的一次透射项不变,仅对各高次透射误差项进行修正,从而大幅降低了因消飘因子造成的精度损失.消飘因子设置格式确保在零频和零波数情形下能够满足GKS准则,从理论上保证了消飘目标的实现.进一步给出该方法的高阶统一形式,并将传统的消飘因子修正MTF的方法归结为该统一形式的一个特例.通过反射系数分析,证明本文方法不仅具有精度优势,而且消飘因子选取的适应性更强、取值范围更广.数值算例表明,本文的消飘因子对波动能量比较集中的法向和小角度透射波动的模拟精度影响很小,在控制高阶MTF飘移问题和保持模拟精度方面,均能够取得明显效果.

多次透射公式在波动数值模拟中的一种实现方案

将一种常用的吸收边界条件─多次透射公式合并于紧接人工边界的内节点控制方程给出了该公式的一个新的实现方案.该方案较之原实现方案不仅收缩了计算区、改进了边界的模拟精度,而且揭示了该公式截断误差的阶数与大区域数值解之间的关系,阐明了提高吸收边界的精度阶对改进波动数值模拟精度的局限性.通过数值试验比较了新方案、原方案及Givoli-Neta吸收边界条件的在人工边界上的精度,结果表明前者优于后二者.

多次透射边界在ANSYS软件中的应用

利用ANSYS二次开发语言APDL和UIDL语言编制了用户程序包,使ANSYS在进行土—结构系统动力分析时,通过每一步计算,都能够利用模拟无限域影响的人工边界条件———多次透射公式对边界节点的位移进行修正的方法,实现了多次透射边界条件在ANSYS中的应用。数值实验表明,这种方法能够提高ANSYS进行土—结构体系动力反应分析时的计算精度,同时,也简化了地震动输入的处理步骤。

求解散射问题中消除多次透射边界飘移失稳措施的效果分析

针对应用多次透射人工边界公式求解散射问题时可能出现的飘移失稳现象,对比分析了实时降阶法、修正算子法、附加黏弹器法和改进输入法的消飘效果和对计算精度的影响,结果表明:4种方法均可有效消除或抑制比较缓慢的飘移失稳现象;飘移趋势强烈时,修正算子法和附加黏弹器法可能无法有效地抑制失稳;当阻尼较小时,采用实时降阶法可能引入额外的低频误差;在能够确定适当参数值的前提下,修正算子法和附加黏弹器法能够提高低频计算精度;改进输入法则无需人为设置参数,能够在抑制飘移失稳的同时提高计算精度。

透射边界与谱元法的结合及对波动模拟精度的改进

实现与高精度的谱元法具有一致精度的人工边界条件,对基于谱元法的波动数值模拟具有重要意义。给出了具有多阶精度的多次透射公式(MTF)与节点不等间距分布的谱元法的结合方法,并在通用的采用显式Newmark预估校正式和并行计算技术的谱元程序SPECFEM2D和SPECFEM3D中实现。利用改进后的谱元程序模拟了二维和三维模型下波源问题的响应,模拟结果与程序自带的黏性边界的结果及远置解的对比表明,结合MTF的谱元程序显著提高了对边界处大角度入射的体波及面波的吸收效果,消除了黏性边界存在的漂移现象。高阶MTF是与高精度的谱元法相匹配的边界条件。

透射边界条件在点声源海底地震波数值计算中的应用

航行舰船在海底岩土层中引起的弹性波被称为舰船地震波,主要由舰船低频辐射噪声引起,可用于识别舰船目标。本文采用大型有限元软件ANSYS中的流固耦合计算模块,结合多次透射公式(MTF)人工边界条件,对较为简单的水平分层海洋环境下低频点声源海底地震波进行了数值计算,并为了分析数值计算方法的精度,将数值计算结果与波数积分方法结果进行了比较。频率较低时两种方法的声传播损失曲线符合较好,频率较高时结果存在一定差别;两种计算方法所得声传播频率特性曲线的形式有所不同,但曲线总体变化趋势基本一致;而海底表面竖直位移、水平位移、竖直加速度和水平加速度的频率特性曲线基本符合。由此认为,基于多次透射公式人工边界,采用大型有限元软件ANSYS中的流固耦合模块,对较复杂环境下低频点声源海底地震波问题进行数值计算是基本可行的。

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:二维波动

将邢浩洁和李鸿晶提出的多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)的谱元格式应用于均匀介质中线弹性SH波动问题的谱元模拟.假定紧邻人工边界的一层谱单元为具有直线边界的四边形单元,以保证每个人工边界节点都唯一对应一条指向内域的离散网格线.人工边界节点在某时刻的位移由该离散网格线上的节点在前若干时刻的位移确定,按照MTF谱元格式进行计算.通过平面波以一定角度传播的外源问题算例和点源脉冲自由扩散的内源问题算例,验证了方法的可行性以及对实际复杂波动问题的适用性.通过不同类型初值问题算例,在时域内分析了插值多项式阶次、人工波速和透射阶次三个参数对反射误差的影响.结果表明:插值多项式阶次较高的格式会表现出更好的精度,但总体上对反射误差的影响较小;人工波速对反射误差具有显著影响,当人工波速小于介质物理波速时反射误差较大,而当人工波速等于或稍大于介质物理波速时反射误差处于较低水平;透射阶次对反射误差具有决定性影响,表现在不失稳的情形下提高透射阶次能够迅速降低反射误差,但内源问题从三阶MTF开始出现飘移失稳,外源问题从二阶MTF开始出现轻微的飘移失稳.

透射边界结合隐式有限元方法的计算精度探讨

详细推导了采用隐式有限元与MTF结合进行地震作用下结构-地基系统的动力反应数值模拟方法,并选取了3种地形的二维场地模型,进行了地震波作用下的场地响应模拟。通过对比不同网格划分的数值模拟结果与精确解的差异,得到如下结果:对于有限元分析常采用的每个波长λ取10个单元的情况,一般可以得到较好的计算精度,但提高λ/Δx的数目,可以提高数值模拟的精度;时间步距Δt的减小对精度同样有所改善,只是较之空间步长而言,时间步距的改变对于精度的影响没有那么明显;对于复杂地形,建议取λ/Δx=20,并采用二阶MTF,这样可以大大地提高地震作用下场地响应的数值模拟精度。

二维层状盆地地震动附加放大特征研究:SV波入射

发展了一种基于谱元法和多次透射边界的平面SV波入射下二维复杂场地波动数值模拟方法。基于该方法,模拟分析了31条地震波输入下二维典型层状沉积盆地中的各场点相比其对应的一维土层模型的模拟地震动的附加放大特征,分析了放大系数对于输入地震波的敏感性。结果表明,该方法具有较高精度和良好的高频稳定性。不同地震波输入下,盆地地面运动及其放大特征存在较大差别。水平分量上平均反应谱放大系数的较大值(最大1.2左右)集中在盆地边缘区域及周期等于0.5倍~0.7倍自振周期附近,垂直分量上较大放大系数(最大0.9左右)紧邻盆地角点且周期为0.3倍自振周期处。同时,盆地对不同周期地震动的放大特征,以及不同位置点的谱放大系数随周期的变化规律均表现出明显不同,相对短周期地震动的盆地边缘效应最为强烈,而相对长周期地震动的放大作用明显减弱。此外,盆地边缘区域的放大系数对输入波最为敏感,不同地震波输入下放大系数值在较大范围内变化;而盆地中间区域的放大系数对输入波不敏感,其值的变化范围相对较小。

土边坡地震反应及其动力稳定性分析

本文建立了计算上边坡地震反应及评价其动力稳定性的一个数值分析模型。将土边坡在动力作用下的应力状态简化为自重应力状态和附加动力状态的叠加，并对这两个应力状态分别进行研究。本文用时域集中质量显式有限元方法结合多次透射公式，研究了无限域中边坡在动力作用下的位移场和应力场，提出了上边坡动力稳定性的定量评价方法。

两相介质近场波动模拟的一种解耦有限元方法

本文将求解近场波动问题的一种解耦技术推广到两相介质,得到了一种求解两相介质近场波动问题的直接解耦方法,包括集中质量有限元模型、时域显式积分格式和局部人工边界条件.首先应用加权残数法,并依据波动模拟的精度要求,得到了两相介质集中质量有限元模型.然后,结合两相介质中波动的衰减特性,实现了透射边界在两相介质近场波动中的运用.最后,通过数值实验,并与解析解对比,验证了本文方法的有效性.

常数分布Rankine源法与二阶绕射问题精度研究

为了准确地预报作用在浮体上的非线性水动力,采用时域二阶理论对非线性波物相互作用问题进行了研究.对自由面条件和物面条件进行Taylor级数展开和Stokes摄动展开得到一阶和二阶边值问题.使用基于Rankine源的边界元法计算每一时刻的流场,并在自由面上采用积分格式的自由面条件(IFBC);在远方控制面上采用多次透射边界条件(MTF).以圆球绕流和直立圆柱桩的二阶绕射问题为例,研究了所述方法的数值精度,经过对数值结果的比较与分析,得出了该方法精度较低的原因,并且得到MTF和IFBC可以有效地用于时域二阶问题的数值模拟,在远方人工边界上达到无反射的效果.