两相介质中波在平面界面上的反射

借助Ｂｉｏｔ多孔介质中的波动方程，根据各种界面条件导出了波在两相介质各种界面上反射的一般计算公式。作为例子，数值计算了Ｐ１波入射于几种典型界面时，Ｐ１、Ｐ２和Ｓ波的反射系数与频率、入射角之间的关系。结果表明：各种波的反射系数与入射角、频率有关系，若把多孔介质当作单相均一固体处理，将会得到显著不同的结果。     

两相介质中波在平面界面上的反射

借助Ｂｉｏｔ多孔介质中的波动方程，根据各种界面条件导出了波在两相介质各种界面上反射的一般计算公式。作为例子，数值计算了Ｐ１波入射于几种典型界面时，Ｐ１、Ｐ２和Ｓ波的反射系数与频率、入射角之间的关系。结果表明:各种波的反射系数与入射角、频率有关系，若把多孔介质当作单相均一固体处理，将会得到显著不同的结果。     

气饱和与水饱和多孔介质的弹性波场数值模拟

基于Biot介质理论,对气饱和多孔介质与水饱和多孔介质中弹性波的传播进行了数值模拟.通过饱和多孔介质的一阶双曲型速度-应力弹性波波场分离方程,采用交错网格高阶有限差分法实现了气饱和与水饱和介质中的高精度数值模拟,并利用完全匹配层(PML)吸收边界来处理边界反射问题,取得了较好的效果.模拟实例表明,水饱和介质中快纵波速度要远高于气饱和介质中的速度,并且频散较小,衰减较弱;含水饱和夹层的气饱和介质对弹性波振幅、能量有减弱作用;且气固耦合作用比水固耦合作用要小,气饱和情况下流相与固相基本达到完全解耦.     

高度非线性孤立波与Euler梁的耦合作用研究

无预压缩一维颗粒链中的机械撞击以高度非线性孤立波的形式传播,该孤立波是一种能量包,在较长距离内保持稳定波幅。本文研究高度非线性孤立波与Euler梁的耦合作用,对颗粒链采用离散元模型,基于Hertz定律和Euler梁振动方程并考虑Euler梁的横向振动,建立颗粒链与Euler梁耦合的微分方程组。采用Runge-Kutta法进行求解,得到晶体链中各颗粒的位移、速度解。分析回弹波出现的时间、波幅以及Euler梁的材料特性和几何特性参数等对反射孤立波的影响,结果表明,反射孤立波对Euler梁的弹性模量和几何尺寸在一定范围内是敏感的。本文的研究成果丰富和完善了孤立波探伤理论,为一维颗粒链的实际应用提供了广阔的应用前景。     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架

海底地震动的模拟以及海洋工程结构的地震反应分析中,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩、结构之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩和结构,分别考虑相互之间的耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,考虑不同孔隙率的饱和多孔介质之间耦合的一般情形,建立了该耦合情形的求解方法.进一步论证了该一般情形的耦合计算方法可分别退化到流体与固体、流体与饱和多孔介质、固体与饱和多孔介质之间的耦合计算,从而将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.以P-SV波垂直入射时,半无限层状海水-饱和海床、海水-弹性基岩、海水-饱和海床-弹性基岩三种情形的动力分析为例,采用统一计算框架结合透射边界条件进行求解,并与传递矩阵方法得到的解进行对比,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

流体饱和标准线性粘弹性多孔介质中的平面波

研究了流体饱和不可压标准线性粘弹性多孔介质中平面波的传播和反射问题．在固相骨架小变形的假定下,得到了粘弹性多孔介质中波动方程的一般解,讨论了弥散关系和波的衰减特性．结果表明：在流体饱和不可压粘弹性多孔介质中,仅存在一个耦合纵波和一个耦合横波,纵波和横波的波速、衰减率等取决于孔隙流体与固相骨架间的相互作用以及固相骨架本身的粘性．同时,研究了半空间自由边界上入射波(纵波、横波)的反射问题。得到了非均匀反射波的波速、反射系数、衰减率等的表达式及其相关的数值结果．     

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架——————不规则界面情形

海底地震动场及海洋声场的模拟中,需要考虑复杂海床介质及海底地形的影响,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩,分别进行空间离散和界面耦合, 十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后, 以饱和多孔介质方程为基础, 经集中质量有限元离散,严格考虑不同孔隙率的饱和多孔介质在不规则界面的耦合条件,通过求解法向和切向界面力的途径,建立了不同孔隙率的饱和多孔介质耦合情形的求解方法,将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.考虑海水--弹性基岩、海水--饱和海床--弹性基岩体系中凹陷地形情形,采用本文提出的统一计算框架, 结合透射边界条件,分析了P波入射时的动力反应, 并通过结果是否满足界面条件,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.      

海洋地震工程流固耦合问题统一计算框架——不规则界面情形

海底地震动场及海洋声场的模拟中,需要考虑复杂海床介质及海底地形的影响,涉及到海水、饱和海床、弹性基岩之间的相互耦合.传统的方法分别采用声波方程描述理想流体、Biot方程描述饱和海床、弹性波方程描述基岩,分别进行空间离散和界面耦合,十分不便.本文基于理想流体、固体分别为饱和多孔介质的特殊情形(孔隙率分别为1和0),由饱和多孔介质的Biot方程可退化得到理想流体的声波方程和固体的弹性波方程.然后,以饱和多孔介质方程为基础,经集中质量有限元离散,严格考虑不同孔隙率的饱和多孔介质在不规则界面的耦合条件,通过求解法向和切向界面力的途径,建立了不同孔隙率的饱和多孔介质耦合情形的求解方法,将流体、固体、饱和多孔介质间的耦合问题纳入到统一计算框架,并编制了相应的三维并行分析程序.考虑海水–弹性基岩、海水–饱和海床–弹性基岩体系中凹陷地形情形,采用本文提出的统一计算框架,结合透射边界条件,分析了P波入射时的动力反应,并通过结果是否满足界面条件,验证了该统一计算框架的有效性以及并行计算的可行性.     

流体饱和多孔介质的动力学Gurtin型变分原理和有限元模拟

基于多孔介质理论。在两相不可压和小变形的假设下，建立了流体饱和弹性多孔介质的动力学Gurtin型变分原理，并导出了以此变分原理为基础的有限元离散公式，由于Gurtin型变分原理是卷积型的空间积分泛函，空间的有限元离散导致一个关于时间的对称微分—积分方程组，在一般条件下。该积分—微分方程组可转化为对称的微分方程组，这组方程有别于标准Galerkin有限元的非对称离散方程组，作为数值例子，分析了流体饱和弹性多孔介质中一维纵向波的传播和反射，其结果进一步揭示了饱和多孔介质中波的传播特性。     

孤立波激发港口振荡的数值研究

采用Boussinesq数值波浪模型模拟了在孤立波作用下复杂形状港内水体的响应。孤立波在进入港口后会引起港内水体的振荡并被反射,港内波面扰动是一个随时间变化的瞬变波动过程。通过基于连续小波变换的时频分析结果并与现有的理论值进行比较发现,孤立波引起的振荡其主要能量主要集中在港池第一振荡模态上,这为估计复杂形状港口的自振频率提供了一个可行的方法。     

Homogenization of acoustic waves in strongly heterogeneous porous structures

We consider acoustic waves in fluid-saturated periodic media with dual porosity. At the mesoscopic level, the fluid motion is governed by the Darcy flow model extended by inertia terms and by the mass conservation equation. In this study, assuming the porous skeleton is rigid, the aim is to distinguish the effects of the strong heterogeneity in the permeability coefficients. Using the asymptotic homogenization method we derive macroscopic equations and obtain the dispersion relationship for harmonic waves. The double porosity gives rise to an extra homogenized coefficient of dynamic compressibility which is not obtained in the upscaled single porosity model. Both the single and double porosity models are compared using an example illustrating wave propagation in layered media.     

川藏公路地质环境与整治改建方案的思考

川藏公路由于地质环境复杂、建设标准低、后遗病害多,抗灾能力差,泥石流、滑坡、山崩、雪害、水毁等自然灾害频繁发生,公路阻车断道严重。国家投入巨资进行整治改建,并取得了明显的效果,但由于自然环境特殊、影响因素复杂,许多特大型、大型工程地质病害问题还没有可行、可靠的解决方案。本文通过分析川藏公路沿线的地质环境和灾害特点,总结历年整治改建和经验的教训,提出川藏公路建设的途径、可能达到的目标和应采用的原则。     

Love wave dispersion in pre-stressed homogeneous medium over a porous half-space with irregular boundary surfaces

The paper investigates the existence of Love wave propagation in an initially stressed homogeneous layer over a porous half-space with irregular boundary surfaces. The method of separation of variables has been adopted to get an analytical solution for the dispersion equation and thus dispersion equations have been obtained in several particular cases. Propagation of Love wave is influenced by initial stress parameters, corrugation parameter and porosity of half-space. Velocity of Love waves have been plotted in several figures to study the effect of various parameters and found that the velocity of wave decreases with increases of non-dimensional wave number. It has been observed that the phase velocity decreases with increase of initial stress parameters and porosity of half-space.     

分层流体中内孤立波在台阶上的反射和透射

基于匹配渐近展开和格林函数的方法，研究了两层流体系统中内孤立波在台阶地形上透射、 反射及其分裂的演化特征. 通过保角变换和求解奇异Fredholm积分方程，获得了反映地形 效应对Boussinesq方程影响的约化边界条件，藉此建立了KdV演化方程的``初值'问题， 根据散射反演理论获得了反射波和透射波的解析表达式. 分析结果表明：上下流体层的厚度 比、密度比以及台阶高度对于反射和透射波振幅及其分裂具有显著的影响. 尤其当上层流体 厚度小于下层厚度时，由于存在临界点，在其附近反射波的幅值随台阶高度的演化由单调增 变为单调减，透射波的幅值由单调减变为单调增；上台阶的反射波与入射波反相，其最大幅 值可达到入射波的数倍；此外，下台阶反射波也可发展为单支孤立波，它区别于单层流体中 反射波仅为衰减的振荡波列.     

等波高双孤立波直墙爬高的数值模拟

基于RANS方程、VOF方法以及修正的Goring造波方法建立了模拟活塞式推波板运动的二维数值波浪水槽,实现了双孤立波直墙爬高的数值模拟．利用动边界技术模拟造波机推波板的运动,有效地实现了不同波峰间距双孤立波的造波方法．在验证单孤立波直墙爬高的基础上,模拟了不同相对波高、相对波峰间距的等波高双孤立波的直墙爬高过程,给出了波面、速度场及波动能量的变化规律．数值模拟结果表明：对于等波高的双孤立波,当入射波波高较大及两个波峰间距相对较小时,跟随在后孤立波的爬高放大系数小于先导孤立波的爬高放大系数;双孤立波在直墙爬高过程中,波动场的势能时间过程线呈现三峰形态,其中居中的最大势能峰值出现在第二个孤立波与经直墙反射后反向传播的第一个孤立波完全对撞的时刻．     

高围压条件下孔隙介质渗透特性试验研究

为研究不同围压条件下孔隙介质的渗透性能,利用新研制的高压渗流仪,对大尺寸低渗透性软弱岩进行了系统的试验测试。试验渗透压差波动幅度仅为0.02MPa,渗出端溶液体积变化量测试精度可达0.03mL。通过溶液体积变化与时间的线性关系,稳定渗流量大小可以精确测定。以稳定压差、流量法(即稳压法),试验验证了岩石的渗透系数随着围压的增加而下降,当围压降低时,岩石渗透系数回升,但回升路径低于原始路径。根据轴向应变的变化情况,提出了室内试验应力-渗流耦合过程中渗透性的变化主要是侧向压力使孔隙、喉道产生压缩变形所致。     

Reflection and Transmission of Elastic Waves at the Interface Between Water and a Double Porosity Solid

The reflection and transmission of an incident plane wave at an interface between water and a fluid-saturated double porosity solid are investigated. The properties of the three compressional waves and one shear wave in double porosity media are discussed in detail. The effect of the viscosity, permeability, and porosity on the phase velocity and attenuation of four bulk waves is presented. Comparison between the double porosity theory and the Biot theory reveals that there exists obvious difference in the phase velocity, attenuation and the reflection and transmission coefficients. Two cases of boundary conditions, i.e., the sealed-pore and the open-pore boundaries, are introduced in the numerical calculation. At last, the effect of the fracture permeability and porosity on the reflection and transmission coefficients considered. It is revealed that the amplitudes of the reflected and transmitted waves strongly depend the boundary condition, fracture permeability, and porosity.     

Wave interaction with a new type perforated breakwater

In this study examined is the wave interaction with a new modified perforated breakwater, consisting of a perforated front wall, a solid back wall and a wave absorbing chamber between them with a two-layer rock-filled core. The fluid domain is divided into three sub-domains according to the components of the breakwater. Then by means of the matched eigenfunction expansion method, an analytical solution is obtained to assess the hydrodynamic performance of the new structure. An approach based on a step approach method is introduced to solve the complex dispersion equations for water wave motions within two-layer porous media. Numerical results of the present model are compared with previous limiting cases. The effects of rock fill on the reflection coefficient and the horizontal wave force are discussed. The project supported by the Program for Changjiang Scholars and Innovative Research Teams in Universities (IRT0420). The English text was polished by Keren Wang.     

GURTIN VARIATIONAL PRINCIPLE AND FINITE ELEMENT SIMULATION FOR DYNAMICAL PROBLEMS OF FLUID-SATURATED POROUS MEDIA

Based on the theory of porous media,a general Gurtin variational principle for theinitial boundary value problem of dynamical response of fluid-saturated elastic porous media isdeveloped by assuming infinitesimal deformation and incompressible constituents of the solid andfluid phase.The finite element formulation based on this variational principle is also derived.Asthe functional of the variational principle is a spatial integral of the convolution formulation,thegeneral finite element discretization in space results in symmetrical differential-integral equationsin the time domain.In some situations,the differential-integral equations can be reduced to sym-metrical differential equations and,as a numerical example,it is employed to analyze the reflectionof one-dimensional longitudinal wave in a fluid-saturated porous solid.The numerical results canprovide further understanding of the wave propagation in porous media.     

波在双孔隙与单孔隙介质界面上的反射与透射

基于Biot理论和双重孔隙介质理论研究了弹性波在双重孔隙介质与流体饱和单一孔隙介质 界面的反射和透射问题，在界面上假定裂缝孔隙流体相对于固体骨架的位移为零，推导了反 射系数和透射系数的计算公式，数值讨论了反射系数和透射系数随入射角和频率的变化关 系. 同时，讨论了双重孔隙介质中3种压缩波(P-1, P-2和P-3波)和一种剪切波(S波) 的频散和衰减特性.