多项时间分数阶混合扩散-波动方程ADI有限差分法

用交替方向隐式(ADI)有限差分法研究多项时间分数阶混合扩散-波动方程的数值解,在时间方向上,采用降阶的方法,将扩散项和波动项转化为RL积分项和扩散项,分别使用L2-1_(σ)和L1公式逼近;空间方向结合二阶中心差商离散,并通过数值算例验证差分格式的有效性.

“总场-散射场源”在波动方程时域有限差分法中的应用研究

研究了"总场-散射场源"在波动方程时域有限差分法(WEFDTD)中的应用方法,这一问题的难点是如何把基本差分格式应用于总场区和散射场区的分界面。具体做法是将激励源设置在两区域的分界面上,并基于总场-散射场原理对基本差分格式加以修正,使得用其刷新某一网格点的总场值或散射场值时,该点周围四个网格点能同时提供总场值或散射场值。这一技术有效地克服了WEFDTD的已有激励源的不足。使用这一技术,数值模拟了简谐波和高斯脉冲的传播过程,发现计算结果和解析解符合得很好。

旋转体波动方程时域有限差分法

为仿真电磁波与旋转体的相互作用,通过把电磁场的6个分量作傅里叶展开,把三维波动方程简化至二维,并用时域有限差分法(FDTD)基本原理求解二维波动方程,实现了旋转体波动方程时域有限差分法(BOR WE FDTD)。相对于旋转体时域有限差分法(BORFDTD),BOR WE FDTD具有节约内存和机时、程序简单等优势。通过模拟介质球对简谐波的散射,并把结果和理论结果、BORFDTD结果作对比,证实了BORWEFDTD的有效性。

波动方程时域有限差分法的一种新激励源

鉴于目前现有激励源技术存在的一些不足,通过理论分析,发现时域有限差分法(FDTD)的"总场-散射场源"可用于波动方程时域有限差分法(WEFDTD),但实现方法不同.WEFDTD的具体方法是将仿真区域划分为总场区和散射场区,激励源设置在两区域的分界面上,并将两区域分界面上的差分格式作出一些修改.该技术能有效地克服WEFDTD已有激励源的不足.也进行了相关的编程数值实验以验证该技术的有效性,模拟方式为简谐波和高斯脉冲的传播过程,最终的实验表明计算结果能与解析解很好地吻合.

有限差分法探地雷达波动方程偏移成像

在探地雷达 (Ground- Penetrating Radar,简称 GPR)剖面中 ,由于绕射波的存在 ,使得资料的处理解释十分困难 ,其结果的准确性与真实度也会降低。针对这一问题 ,作者提出了探地雷达有限差分波动方程偏移法 ,首先进行了理论模型的实验分析 ,在此基础上我们对实测 GPR剖面资料进行分析处理 ,取得了较好的成果。

非水平观测面有限差分法叠前波动方程基准面校正

当地表高程变化剧烈、地表一致性假设又不成立时,波动方程基准面校正处理被认为是对于常规高程基准面校正的必要替代、本文针对实际中经常出现的观测面剧烈起伏的情况,在波场外推计算中以“逐步 累加”的方式延拓波场,实现了基于非水平观测面的有限差分法波动方程基准面校正。由于应用了改进的优化系数有限差分外推算子,在保证计算精度的基础上,提高了计算效率。在精确地消除了长波长静校正量的同时,短波长静校正量也得到了一定的校正。 在理论模型和实测数据上,该方法均取得了理想效果,为使用差分算子实现基于非水平观测面的波动方程叠前基准面校正甚至波动方程叠前深度偏移提供了一条有效的途径。

相位移加有限差分法波动方程正演模拟

本文提出用相位移加有限差分法来实现速度纵横向变化、复杂陡倾地质模型的正流模拟，为复杂波场的地震、地质解释提供了精确、实用的方法。一般情况下，相位移延拓方法对徒倾斜地层成像精度高、稳定性好、计算快，但实现速度的横向变化困难；而频率、空间域的有限差分法算法简单、稳定性好、能适应速度的纵横向任意变化，但偏移陡断地层存在很多问题。用快速的45°有限差分对相位移延拓作补充，能使整个延拓过程既适应速度的纵横向变化，同时也能够得到陡倾地层的精确归位，通常称为混合法。我们把混合法的思想用于正演之中，得到了较好的效果。该方法在延拓中不作任何时深转换，始终在深度域进行，比在时间域作正演有更高的精确度。复杂地质模型正演试验结果表明，相位移加有限差分波动方程正演完全达到了我们的预期目的。

具有波动算子的非线性Schrdinger方程的有限差分法

考察一类具有波动算子的非线性Ｓｃｈｒｏｄｉｎｇｅｒ方程的周期初值问题，构造了“ｆｒｏｇ－ｌｅａｐ”差分格式，利用有界延拓法，证明了其格式的收敛性与稳定性，并给出了误差估计，通过数值例子，检验了理论结果的可信性，给出了数值模拟及误差图。

旋转体时域有限差分法的另一推导方法和单向波方程吸收边界条件

提出了旋转体时域有限差分法的另一推导方法.基于这一方法,推导了旋转体电磁波的波动方程,进一步得出了旋转体时域有限差分法的单向波方程吸收边界条件.数值实验证实了该吸收边界条件的正确性.

时域有限差分法计算薛定谔方程中的数值稳定性条件

对于量子力学中的时域有限差分法,往往基于经验来确定其数值稳定性条件即空间和时间增量必须满足的关系。文章从含时薛定谔波动方程出发,结合物理问题中的实际条件,推导出了空间和时间增量必须满足的数值稳定性条件。特别讨论了在不同势能的情况下该稳定性条件的适用形式,得到了适用于各种维数的统一表达式。并进一步运用时域有限差分法计算得到的数值结果说明了该稳定性条件的合理性和有效性。

复杂地表起伏多重变加密网格有限差分法波动方程数值模拟

常规变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法采用水平分层加密网格,该网格剖分策略在适应地形起伏和近地表速度结构变化特征方面效果较差。针对该问题,提出一种起伏多重变加密网格有限差分波动方程数值模拟方法。该方法根据地形起伏和近地表低速层到高速层的速度分布特征进行网格加密;采用不同网格中的变系数差分格式离散声波方程,在保证波场模拟精度的同时兼顾计算效率;同时,为了进一步保障地表附近波场模拟的精度,地表附近最细网格中的差分格式不做降阶处理,针对位于地表以上的虚像点的波场值,提出一种融入自由地表边界条件的法向虚像外推法。算例分析验证该算法对速度模型不同区域进行的网格多次加密显著提高了计算效率,以黄土塬实际模型为例,耗时为常规1 m×1 m网格耗时的43.3%,并可达到和细网格基本一致的模拟精度,模拟误差控制在10-12范围内,同时表现出很好的近地表散射压制和边界吸收效果,且算法能稳定地适应实际复杂地表介质。

时间域广义2.5D一阶波动方程曲网格有限差分法数值模拟

2.5D地震波场数值模拟通过在2D地质模型中施加点源从而计算得到3D地震波场。首先通过傅里叶变换得到了一种适用于混合(声波、弹性各向同性、弹性各向异性)介质和各种边界条件(声波自由地表、固体自由地表和固—液边界)的2.5D时域广义一阶波动方程,并采用曲线网格有限差分法求解该波动方程。在各种均匀介质模型(声波、弹性各向同性和弹性各向异性)中,通过对比2.5D数值解与3D解析解和3D数值解,不仅验证了推导的方程和数值求解方法的正确性,而且验证了2.5D数值方法相比3D数值方法在计算效率和内存占用方面有很大的优势。2D数值方法由于线源假设,其解与2.5D数值解相比存在较大的振幅误差和相移,难以直接应用。数值实验结果表明,该2.5D数值模拟方法适用于含各种边界(声波自由地表、固体自由地表和固—液边界)的地质模型。不同于2D波场数值模拟方法,2.5D波场数值模拟方法可直接应用于实际的点源观测数据处理,如2.5D逆时偏移成像。

时域有限差分法中的吸收边界条件与角点处理

吸收边界条件是时域有限差分法 (FDTD)中的一个重要部分 ,而吸收边界条件中角点的处理又对吸收边界条件本身影响甚大 ,角点处理的不恰当 ,可能导致完全不合逻辑的结果。传统二维二阶近似吸收边界条件中对角点的处理则比较复杂 ,且不易向三维情况推广。针对这种情况 ,文中基于单向行波吸收理论 ,讨论了一种简单易处理的角点处理方法 ,并设计了一数值试验方法进行了验证 ,计算结果表明这种方法满足对吸收边界条件所提出的各项要求并具有较高的计算精度。同时 ,这种角点处理法也极易向三维情况推广。

有限元-有限差分法二维波动逆时偏移初探

提出了采用有限元有限差分实现二维波动方程的逆时偏移算法。该方法在空间上 ,联合采用有限元法和有限差分法 ;对于地表 (水平 )方向 ,使用有限元法进行离散 ,将原方程转化为一个一维 (深度和时间 )问题的方程组 ;在深度和时间方向上 ,采用有限差分法来求解。介绍了算法的基本原理 ,给出了计算实例并与使用F K(频率波数 )域相移法、频率空间域有限差分法的结果进行了比较。与采用有限元的偏移方法相比 ,本方法可以节省大量内存 ;与采用有限差分的偏移方法相比 ,可以在一定程度上提高计算精度。

波动方程非规则网格任意阶精度差分法正演

在波动方程正演中通常采用有限差分算法,而有限差分的计算精度又取决于所用离散网格类型及差分阶数。采用规则网格进行离散,对于倾斜界面无法避免绕射噪声,若加密网格又过度增加工作量。为此,本文提出一种非规则网格任意阶精度差分正演方法,在不增加太多计算量的前提下,达到了基本消除离散绕射噪声,提高正演精度的目的。通过两个模型试算,特别是在有倾角的反射界面处,较好地克服了由于数值离散带来的离散绕射噪声问题。

基于有限差分法的轨道电路时域分析

针对道床环境较恶劣时,在空间域难以区分轨道电路工作状态的问题,提出基于有限差分法的轨道电路时域解求解方法。利用偏微分方程数值解理论对轨道电路偏微分方程组进行离散,建立轨道电路的差分格式,并根据电压、电流在始端、终端的边界条件对调整态受电端时域电压响应进行分析,得到轨道电路的时域解。在不同初始电气参数下,通过算例仿真分析调整态受电端电压的变化情况,结果表明,所得时域解符合轨道电路的传输特性,可为轨道电路暂态分析提供理论依据。

二阶各向异性弹性波动方程高阶交错网格有限差分法

通常采用高阶交错网格有限差分法求解一阶双曲型弹性波动方程或用伪谱法求解二阶弹性波动方程以提高局部弹性波场的数值模拟精度,这两种方法尽管能够有效压制频散现象和允许较大的空间步长,但占用的内存较多和计算量较大,而采用低阶中心差分法来求解,不可避免地存在着高频散问题,同时还带来计算过程不稳定现象,为此,提出了采用高阶交错网格有限差分法直接求解二阶弹性波动方程的新思路,推导的高阶差分格式具有计算形式简单,可以推广于求解任意偶数阶时空导数,同时给出计算所需的稳定性条件。在人工边界处采用褶积近似完全匹配层吸收边界条件(CAPML)来吸收衰减边界反射波。从梯状模型的数值结果可以看出,模拟的各种复杂波场清晰准确、精度较高、边界吸收效果好且计算过程稳定,同时指出,比常规方法具有更快速提高数值模拟精度和计算效率的优点。

电磁场计算中的时域有限差分法(英文)

时域有限差分法是在离散变量空间和时间中求解不同边界条件下Maxwell方程组的一种数值方法。这种方法简单易懂,适应性强,所用计算机存储单元少,已在微波领域得到大量应用,目前又被应用于光场分布的研究。本文介绍了时域有限差分法的基本原理,推导了Maxwell方程组的FDTD数值表达式。

紧致有限差分方法求解全离散波动方程

本文针对整数阶波动方程,给出了一种基于紧致有限差分方法的隐式全离散格式。该格式在时间方向采用中心差分格式来离散,在空间方向采用紧致中心差商的权平均来离散。离散格式的稳定性分析及误差估计表明,该离散格式在时间方向达到二阶收敛,空间方向达到四阶收敛。并且通过数值实验证明该离散格式的收敛阶为O(τ2h4)。

一类双曲型方程的有限差分法

利用有限差分法求解波动方程边值问题,得到了相应的稳定性分析,并进行了数值模拟.模拟结果表明;该方法求得的数值解有较高的精度和较快的运行速度.