基于柱坐标系复频移完全匹配层的随钻套管井声场有限差分模拟

将柱坐标系复频移不分裂完全匹配层(CFS-NPML)吸收边界条件应用于随钻套管井声场有限差分模拟中,分析不同环隙位置和胶结质量条件下各模式波的传播特征。结果表明与NPML吸收边界条件相比,CFS-NPML吸收边界条件具有更好的吸收效果和更高的计算稳定性;当环隙位置不同时,套管波在随钻条件下的变化规律与电缆条件下的变化规律基本一致,而钻铤波受套管井环境的影响相对较小;套管波波速和钻铤波波速相近,短源距条件下时域波形会发生重叠;随着胶结指数的增大,首波幅度先快速减小后基本不变。

广义正交坐标系FDTD算法的准完全匹配层吸收边界条件

本文推导出了广义正交坐标系下的各向异性准完全匹配吸收层 (QPML)边界条件 ,给出了直角坐标、圆柱坐标、保角变换柱形坐标的各向异性准完全匹配吸收媒质 .

基于复频移完全匹配层的辛龙格库塔算法探地雷达正演

为了消除探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演模拟的截断边界处的非物理反射,需要对模拟区域边界进行特殊处理。目前应用效果较好的边界处理方法为加载完全匹配层吸收边界条件。而复频移完全匹配层(complex frequency shift perfectly matched layer,CFS-PML)可以加强对低频区凋落波、倏失波的吸收效果,还可以压制信号的虚假反射,被引入到GPR正演边界条件处理中。将CFS-PML应用于辛龙格库塔求解二维GPR波动方程的数值模拟中,利用辛算法可以实现对时间坐标和空间坐标的保辛计算,从而实现GPR高精度正演模拟。首先,以横磁(transverse magnetic,TM)波为例,推导了基于CFS-PML的辛龙格库塔GPR波动方程求解公式。其次,利用狭长模型开展了CFS-PML吸收边界条件中的关键参数的选取试验,通过对比反射误差的大小确定了最优参数。此外,通过CFS-PML吸收边界条件与透射边界条件的对比实验,说明大角度掠射下CFS-PML边界条件较透射边界具有更好的吸收效果。最后,为了进一步验证该算法的效果,应用加载CFS-PML边界的辛龙格库塔算法对一个具有起伏地形的地电模型进行了正演。通过剖面法和宽角法得到的正演剖面图,证明该算法具有较好的GPR正演精度。

多轴复频移近似完全匹配层弹性波模拟

在地震正演模拟中完全匹配层是现今吸收效果最好、应用最广的边界条件。由分裂法发展到各种非分裂方法,很大程度上提升了完全匹配层的计算效率并减少所需内存。近似完全匹配层是一种直接对波场进行变换的新型非分裂方法,相比卷积完全匹配层具有不改变方程形式且易于实现等优势,但无法吸收掠入波和瞬逝波,因此目前仍以卷积完全匹配层为主。本文在近似完全匹配层边界处理技术的基础上引入复频移技术,实现了对大角度入射波和极低频波的吸收;采用多轴技术提升近似完全匹配层的稳定性;引入新的衰减函数以整体提升近似完全匹配层吸收效果。最终使近似完全匹配层能够更稳定有效地吸收任意入射波。

地震波模拟中多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性

在进行地震波模拟计算的过程中用有限的计算区域模拟地下无限空间,需要进行边界截断.为了在边界处不产生虚假反射影响模拟结果,需要引入吸收边界条件.本文采用的近似完全匹配层是一种新型非分裂完全匹配层,计算效率较高.同时相比于其他非分裂完全匹配层,其还具有不改变方程的形式、易于实现等优势.但是当入射波角度较大,边界吸收效果变弱,且残留在边界中的能量使近似完全匹配层变得极其不稳定.多轴复频移近似完全匹配层的提出就是为了改善对大角度入射波的吸收并且提高边界的稳定性.通过实验模拟和矩阵特征值灵敏度来研究多轴复频移近似完全匹配层的吸收效果及稳定性.结果表明该方法不仅能够吸收掠入波,而且对常规入射波的吸收也得到提升,同时拥有更好的稳定性.

基于无分裂复频移卷积完全匹配层边界的黏弹介质勒夫波模拟

本文建立了无分裂复频移卷积完全匹配层(CFS-CPML)吸收边界条件,利用交错网格下的高精度有限差分格式对黏弹性介质中的勒夫波场进行了数值模拟;分析了松弛机制个数对品质因子拟合精度的影响,验证了CFS-CPML边界条件对大角度掠射波的吸收效果.数值结果表明:本文方法所使用的5个松弛机制和空间4阶差分精度,即可在保证计算效率的前提下满足目前理论研究的需要;随着品质因子的减小,频散特征曲线的相速度逐渐向增高的方向偏离理论频散特征曲线的相速度,且各模式的高频能量也随之减弱.本文结果可为发展高精度的面波反演方法提供必要的理论依据.

高阶复合完全匹配层的应用研究

研究了应用于时域算法的一种高阶完全匹配层(Perfectly Matched Layer,PML)方法,并提出了一种复合PML研究方法。在高阶PML原理的基础上,给出了复合PML的研究思路,及其应用于显式时域有限差分方法的过程。采用高阶PML和复合PML计算了波导的反射系数,结果表明有限元计算的结果是准确而稳定的。对比计算结果,可以看出与普通PML相比,高阶PML和复合PML对隐失波和各个频段的传输波都能起到良好的吸收效果,为有限元算法的广泛应用奠定了良好的基础。

复频移完全匹配层在复杂速度模型中的应用

地震波数值模拟中因离散网格空间大小有限,导致计算模型最外层时易产生虚假反射。完全匹配层(PML)方法可有效吸收虚假反射,其中复频移完全匹配层(CFS-PML)的吸收效果尤为突出。但前人针对CFS-PML参数优化取值问题的研讨大多是基于均匀速度模型,而实际模拟中面临的更多是具有强非均匀性的复杂模型。为此,基于均匀速度模型参数选取方法,对复杂速度模型的CFS-PML参数设置进行了探究。认为参数的设置除了与震源和网格性质有关外还同吸收层内的速度值和波长相关,即高度依赖于速度模型;对于复杂速度模型,参数设置的关键在于参考速度的选取,并给出了参考速度的三种实用选取方法。通过对双层、多层及Marmousi模型进行测试和吸收效果对比,明确了"统一设置为边界介质速度中间值"为最佳的参考速度选取方法,进而总结出完整的复杂速度模型CFS-PML优化参数设置方法。

卷积完全匹配层在两维声波有限元计算中的应用

将基于复坐标变换和复频移扩展坐标变量的卷积完全匹配层Convolution Perfectly Machted Layer(CPML)引入到两维声波方程的有限元(FEM)计算中,该匹配层作为一种吸收边界条件Absorbing Boundary Condition(ABC)应用在有限元计算的边界截断上。文中分别给出了频域和时域的CPML方程的表达形式,并在有限元计算软件COMSOL中完成数值计算。相对于经典的PML,CPML最大的优势在于它不需要把场分裂开,这使其具有更好的稳定性和更高的吸收性能,且更易于实现。数值计算结果表明,CPML边界层有着比PML更好的吸收效果,其更有效的吸收了进入其中的声场能量。

完全匹配层中衰减函数的参数优化分析

完全匹配层(perfectly matched layer,PML)是一种高效的吸收边界条件,对体波和面波都有非常好的吸收效果,被广泛应用于弹性波数值模拟。针对二维弹性动力学问题,基于PML最大反射系数的理论推导,对PML衰减函数中的参数取值进行了优化分析。首先基于复伸展坐标变换,给出了一种适用于二阶弹性波动方程的非分裂吸收边界条件;然后通过求解平面P-SV波的波数,得到了非分裂完全匹配层反射系数的解析表达式;最后采用COLLINO给出的衰减函数形式,令PML最大反射系数为最小,得到了衰减函数中PML的厚度、理论反射系数以及最大反射系数之间的相互关系。通过数值算例分析了PML最大反射系数的变化规律,为PML参数的选择和优化提供了理论依据。

卷积完全匹配层在二维弹性波计算中的应用

0引言在模拟计算弹性波在无限或半无限介质中的传播时,需要截断无限计算区域以解决计算机有限存储空间和节约计算时间的问题。因此,必须要有合适的边界条件来减小或消除由于边界截断而引起的边界反射。自1994年完全匹配层(Perfectly Matched Layer:PML)吸收边界条件由Berenger[1]提出,并将其应用于电磁波的截断计算中后,其作为经典技术被广泛的应用于数值计算中。

多源并发下Mur二阶吸收边界和非分裂递归卷积完全匹配层对比研究

多个激励源无延时发射(多源并发)相同中心频率脉冲会形成平面波束信号,增强数据记录质量。本文通过数值模拟对比分析在多源并发情况下,非分裂递归卷积完全匹配层作为吸收边界条件和Mur二阶吸收边界条件对电磁波的吸收效果。其研究结果表明,传统的Mur二阶吸收边界条件对多源并发、多角度掠射情况下电磁波的吸收效果不佳,在大偏移距下会造成波形畸变和形成虚假反射。而在多源并发情况下采用非分裂递归卷积完全匹配层作为吸收边界条件,将坐标伸缩因子引进时域有限差分算法中。通过傅里叶逆变换将频率域坐标伸缩变换PML方程转换到时域,对电场和磁场值在离散状态下进行递归卷积运算求解。从而避免了直接对卷积进行数值求解的复杂计算,在保证计算准确性的同时,节约了内存空间,提高了计算效率。在不分裂波场情况下,改善了网格截断位置对电磁波的吸收效果。

极坐标系下非分裂PML及时域有限元实现

在弹性波传播的数值模拟中,吸收边界被广泛应用于截取有限空间进行无限空间问题的分析.完全匹配层(perfect matched layer,PML)吸收边界较其它吸收边界条件具有更优越的吸收性能,已被成功应用于直角坐标系下的弹性波方程正演模拟.考虑极坐标系下二阶弹性波动方程,通过采用辅助函数的方法,提出了一种非分裂格式的完全匹配层吸收边界条件.并且基于Galerkin近似技术,给出了非对称以及轴对称条件下的时域有限元计算格式.通过数值算例分析了该极坐标系下分裂格式的完全匹配层吸收边界的有效性.

三维柱坐标ADI-FDTD算法及其CPML实现

提出一种三维柱坐标交互隐式方向(ADI)时域有限差分算法(FDTD)及其卷积完全匹配层(CPML)的实现方案。首先,为了简化公式的冗繁和编程的需要,将传统三维柱坐标时域有限差分算法转换成矩阵表达式的形式。其次,以矩阵变换的方式提出三维柱坐标系下ADI-FDTD算法的矩阵表达式。最后,将匹配层的影响参数以辅助变量的方式添加至该算法中,从而完成本文算法的CPML实现。算例证明本文算法在时域和频域均有较好的效率和精度,并且具有良好的CPML吸收效果,其反射系数可达-63^-70 dB。

柱坐标声波方程正演两种PML边界加载方式的对比

分析了地震波场模拟中直角坐标系下一阶声压速度方程完全匹配层边界的两种不同的添加方式,讨论了其等价性。进而针对柱坐标系下一阶声压速度方程的特殊形式,推导出在柱坐标系下进行波场模拟的完全匹配层边界的特殊形式,指出柱坐标一阶方程中两种完全匹配层添加方式的不等价性。最后通过数值试验对两种不同的边界条件的实际应用效果进行了比较,结果表明变量复值化这一吸收边界实现方式在相同参数设置下的实际应用效果要优于直接引入衰减系数。

PML在三维柱坐标系下的应用及近场-远场转换

在三维柱坐标系下推导了麦克斯韦方程组在完全匹配层(PML)吸收边界条件中的时域有限差分(FDTD)格式并编程实现.然后用一种简便的线性插值法给出了在柱坐标系下由近场到远场转换的FDTD计算方法.最后用这种方法对脉冲天线的远区辐射场进行了数值模拟.

广义正交坐标系中FDTD算法的APML吸收边界

利用坐标拉伸方法,将复坐标系统中矩阵形式的Maxwell方程映射到实坐标系统中,由坐标系的拉梅系数得到了广义正交坐标系下各向异性完全匹配层吸收边界条件.数值结果表明了该吸收边界的有效性.

基于平均导数方法的声波方程频率域高阶正演

本文首先阐明了基于旋转坐标系的频率域正演算法只能适用于相同横纵向空间采样间隔的局限性,并发展了一种新的基于平均导数方法(average-derivative method,简称ADM)的25点有限差分格式来实现声波方程频率域高精度正演.这种基于平均导数方法的算法将声波频率域方程中空间导数项的差分近似表示为正交方向上5个网格点的加权平均形式,能适用于不同的横纵向空间采样间隔,因此能作为四阶声波频率域正演的一种统一格式,具有很好的适用性.通过优化方法求取空间导数项和加速度项的加权优化系数,从而使数值频散达到极小化,每个波长所需要的网格点数在1%的误差范围内仅为2.78个网格点数.本文通过引入完全匹配层(perfectly matched layer,简称PML)吸收边界条件,有效地消除了人工边界反射.数值模拟结果验证了本文25点ADM算法的有效性和准确性.

CFS-PML在探地雷达FDTD法模拟中应用

探地雷达(GPR)数值模拟中,为了使截断边界处不产生人为的反射波,需要加载边界条件.目前常用的完全匹配层(PML)边界对隐失波、低频波、掠角波等不能很好地吸收.为此,在时域有限差分(FDTD)法中引入复频移卷积完全匹配层(CFS-PML).从二维TM波的Maxwell方程组出发,阐述了CFS-PML边界条件的原理,推导了CFS-PML边界加载的离散差分公式,给出了CFS-PML边界条件的参数选取原则.应用均匀介质中GPR波场快照,对比了截断处没有加载边界条件、加载3种不同边界条件的边界处反射波的强弱,实例说明单轴各向异性完全匹配层(UPML)、CFS-PML边界条件具有较好的吸收效果.为了进一步对比UPML与CFS-PML的吸收效果,设置了双层介质狭长模型,通过波场快照与全局反射误差证明了CFS-PML对隐失波、低频波、掠角波的吸收较UPML效果更佳.

切比雪夫方法仿真压电耦合场

仿真压电耦合场已有的方法是FDTD法,具有灵活简单易操作的优点。该方法的局限性是其稳定性受时间间隔和空间间隔的约束,运行时间长。该文提出了一种基于切比雪夫矩阵多项式展开,结合数值积分的方法,仿真压电耦合场。该方法具有高精度,高速度的优点。同时采用复坐标变量完全匹配层作为边界吸收条件,将有限区域仿真拓展到无界空间的仿真。通过一维压电媒质的例子说明算法的可行性和稳定性。