探地雷达数值模拟中广义完全匹配层吸收边界条件的模拟分析

探讨探地雷达正演模拟中,应用广义完全匹配层(GPML)吸收边界条件时的模拟效果.利用时域有限差分(FDTD)法将麦克斯韦方程离散化,再采用Mur超吸收边界条件和GPML吸收边界条件吸收向外的电磁波,模拟充水岩溶的雷达图像;同时,采用GPML吸收边界条件模拟多个圆柱体异常模型和倾斜界面异常模型的探地雷达剖面图像.对模拟结果的分析可知,GPML吸收边界条件可有效地吸收向外的电磁波,其吸收效果优于Mur超吸收边界条件,在探地雷达的应用中可推广应用.     

非水平海底情况下海底地震波时域有限差分数值模拟

研究复杂海洋环境中海底地震波激发及其传播特性,对海底物理力学特性研究、资源勘探等具有重要的意义.目前针对时域海底地震波的研究大都局限于水平分层的情况,而实际的海底地质条件比较复杂,基于理想环境假设得出的数值解与实际差别较大.本文在考虑倾斜、隆起等非水平海底模型的情形下,采用时间2阶精度、空间10阶精度的交错网格有限差分方法,同时结合多轴完全匹配层边界条件,对复杂海洋环境下的海底地震波进行时域数值模拟与分析.利用计算得到的声场时域波形,分析了复杂海洋环境下海底地震波的传播特性.结果表明,采用空间高阶精度的交错网格有限差分方法,可改善数值计算中的频散问题;同时采用多轴完全匹配层替代传统的完全匹配层,解决了液-固介质中远距离声场数值模拟不稳定的问题.在含倾斜与隆起构造的复杂海底模型中,海底基岩隆起改变了 Scholte波的传播方向,更有利于在较浅深度处接收到Scholte 波.     

双相各向同性介质BISQ模型弹性波方程数值模拟方法

本文从Taylor级数展开式出发,推导出了交错网格一阶空间导数的任意偶数阶精度展开式和相应差分系数计算式;从本构方程和运动方程推导出了BISQ模型双相介质一阶双曲型应力-速度弹性波方程交错网格任意偶数阶精度差分格式以及推导出二维双相各向同性介质完全吸收层边界条件公式和相应的高阶交错网格差分格式。通过数值模拟研究表明,该方法边界吸收效果好,稳定性好,能够高精度模拟双相介质中地震弹性波场,且计算效率也高。     

双重弹性波波场分离数值模拟及相关理论证明

提出一种等效的双重弹性波波场分离数值模拟方法,用于模拟纯纵波和纯横波分离模式的质点振动速度、位移以及散度场和旋度场,并将该方法应用于全弹性波波动方程数值模拟中.同时,详细推导双重弹性波波场分离波动方程的高阶交错网格有限差分数值计算公式及其稳定性条件、数值频散关系和完全匹配层(PML)吸收边界条件.理论分析和数值计算均表明,该方法可以实现高精度双重弹性波波场分离数值模拟,且纯纵波和纯横波得到完全分离,边界吸收效果较好.与前人工作相比,存储量和计算时间均得到有效改善,数值计算结果进一步验证了该方法的优越性.     

液滴在气固交界面变形移动问题的光滑粒子流体动力学模拟

为准确模拟液滴在气固交界面变形移动问题,对基于连续表面张力模型的表面张力光滑粒子流体动力学方法进行了改进.改进方法采用新的边界处理方式和界面法向修正方法,即将固体边界虚粒子色函数值根据液面的位置进行相应设定以保证气-液-固三相交界处流体粒子的界面法向沿接触线法线方向,引入Brackbill提出的壁面附着力边界条件处理方法,对在气-液-固三相交界处的流体粒子及部分固体边界虚粒子的界面法向进行修正,修正前后保持法向模值不变,得到了含壁面附着力边界条件的表面张力算法.模拟了受壁面附着力影响的水槽中液面的变化过程、液滴润湿壁面过程和剪切气流驱动液滴在固体表面变形脱落过程,并与流体体积函数方法进行了对比.结果表明,该方法在处理壁面附着力问题时精度较高,稳定性较好,适合处理工程中液滴在气固交界面变形移动问题.     

常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界比较研究

分别对常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界在完全弹性介质和孔隙介质的应用效果进行了比较研究。比较了两种吸收边界应用于完全弹性介质和孔隙介质所需计算量、存储量大小以及吸收效果。为比较吸收效果,首先给出两种吸收边界下声场快照图的比较,然后利用吸收边界附近的接收点波形,计算和分析了两种吸收边界在固定入射角度处随时间变化的边界反射幅度,以及对不同入射角度声波的边界反射系数。研究结果表明,无论是完全弹性介质还是孔隙介质,常规非分裂完全匹配层吸收边界比分裂完全匹配层吸收边界对垂直入射乃至一般入射角度的声波都有更好的吸收效果,但需要更大的存储量和计算量。      

常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界比较研究

分别对常规分裂和非分裂完全匹配层吸收边界在完全弹性介质和孔隙介质的应用效果进行了比较研究。比较了两种吸收边界应用于完全弹性介质和孔隙介质所需计算量、存储量大小以及吸收效果。为比较吸收效果,首先给出两种吸收边界下声场快照图的比较,然后利用吸收边界附近的接收点波形,计算和分析了两种吸收边界在固定入射角度处随时间变化的边界反射幅度,以及对不同入射角度声波的边界反射系数。研究结果表明,无论是完全弹性介质还是孔隙介质,常规非分裂完全匹配层吸收边界比分裂完全匹配层吸收边界对垂直入射乃至一般入射角度的声波都有更好的吸收效果,但需要更大的存储量和计算量。     

瞬变电磁场模拟中的CPML吸收边界条件

提出用于瞬变电磁法(TEM)模拟的时域有限差分(FDTD)算法中的卷积完全匹配层(CPML)吸收边界条件.首先,在磁场散度方程显式处理条件下,计算磁场z分量时,构造出一种计算时域卷积项的方法,并详细推导计算磁场z分量的表达式.而后,对均匀半空间模型进行数值计算.结果表明,提出的CPML吸收边界条件在保证计算精度的前提下,实现了瞬变电磁法时域有限差分高效正演计算.     

一阶速度-应力Biot双相各向同性介质弹性波

提出一种等价的一阶双曲型速度一应力Biot双相各向同性介质弹性波波动方程,以实现双相介质混合波场中纯快慢纵波和纯横波波场分离的问题.应用散度和旋度理论证明双相介质等价方程波场分离的可行性,采用高阶交错网格有限差分法构建高精度正演算子,推导其PML吸收边界条件和稳定性条件,并对均匀双相介质和层状非均匀双相介质模型进行数值...     

粒子模拟软件吸收边界的研究

 实现了时域有限差分法的Gedney完全匹配层吸收边界条件,并进行了数值验证和参数优化。从结果可以看出其有较低的反射,性能优良;对吸收媒质厚度和电导率分布阶数的参数优化结果与Gedney经验值基本一致。将此吸收边界模块加入到国产粒子模拟软件CHIPIC中,同美国商业粒子模拟软件MAGIC相比有更好的吸收效果。通过对2维极坐标下磁控管的模拟,证明了此吸收边界具有实际应用价值。     

基于辅助差分方程的完全匹配层在时域多分辨率分析算法中的应用与性能分析

将基于辅助微分方程的完全匹配层(ADE-PML)吸收边界条件引入到基于Daubechies尺度函数的时域多分辨率分析算法中. 与目前广泛应用的Berenger完全匹配层(PML)和各向异性介质完全匹配层(APML) 相比, 该吸收边界条件的实现更加容易且更节省内存. 数值结果表明, ADE-PML在吸收传播模和低频凋落模方面均优于PML和APML.     

卷积完全匹配层在空爆电磁脉冲2维模拟中的应用

 在分析不同类型完全匹配层特点的基础上,选用了卷积形式完全匹配层（CPML）截断空中核爆电磁脉冲数值模拟的开放边界。从自由空间中电磁波的平面波解和分裂形式的完全匹配层出发,构造了未分裂形式的完全匹配层,应用傅里叶变换的卷积定理,推导出2维旋转椭球-双曲正交坐标系下卷积形式完全匹配层介质中电磁场的迭代形式的离散方程。计算表明,采用CPML吸收边界方法使得截断的外边界处的场的计算误差大大减少。     

基于FDTD方法的光栅结构光谱特性研究

基于时域有限差分(FDTD)法,从麦克斯韦方程组出发,结合周期边界条件将完全匹配层SAC-PML吸收边界条件应用到所建立的光栅数值模型中.对光栅结构和光滑表面结构的光谱特性进行了数值计算,得到了TM波入射时结构的吸收率,讨论了金属光栅耦合的表面等离子极化(SPPs)和空腔谐振模(Microcavity Mode)现象....     

基于时域有限差分算法改进卷积完全匹配层的稳定性

为了克服时域有限差分算法中卷积完全匹配层对消逝波吸收效果差的缺点,提出一种在卷积完全匹配层后添加特殊吸收层的方法.在不增加物体与吸收层内层距离的情况下,通过调节特殊吸收层中两个衰减因子,使其为常数,并令吸收因子逐层从1增加到10,来增强吸收层对消逝波的吸收性能.平面波垂直入射到单层光子晶体的算例表明,添加了特殊吸收层的吸收边界在与散射体相距5个网格的情况下仍能够保持计算结果收敛,而传统的吸收边界则需要相距80个网格才能保证结果收敛,说明该方法提高了对消逝波的吸收性能.进一步在结构中采用此吸收边界来计算多层光子晶体的传输特性曲线,并将其与常规方法计算所得结果做比较,两种结果吻合较好.数值算例验证了该方法的有效性和正确性.     

插值小波尺度法探地雷达数值模拟及四阶Runge Kutta辅助微分方程吸收边界条件

应用迭代插值方法构造了插值小波尺度函数,并将该尺度函数的导数用于离散Maxwell方程组的空间微分,使用四阶Runge Kutta(four order Runge Kutta,RK4)算法计算时间导数,导出了插值小波尺度法的探地雷达(ground penetrating radar,GPR)正演公式,与常规的基于中心差分的时域有限差分算法(finite difference time domain,FDTD)相比,插值小波尺度算法提高了GPR波动方程的空间与时间离散精度.首先,采用具有解析解的层状模型,分别将FDTD算法及插值小波尺度法应用于层状模型正演,单道雷达数据与解析解拟合表明:相同的网格剖分方式,插值小波尺度法比FDTD具有更高的精度.然后,将辅助微分方程完全匹配层(auxiliary differential equation perfecting matched layer,ADE-PML)边界条件应用到插值小波尺度法GPR正演中,在均匀介质模型中对比了FDTD-CPML(坐标伸缩完全匹配层),FDTD-RK4ADE-PML、插值小波尺度RK4ADE-PML的反射误差,结果表明:插值小波尺度RK4ADE-PML吸收效果优于另外两种条件下的吸收边界.最后,应用加载UPML(各向异性完全匹配层)的FDTD和RK4ADE-PML的插值小波尺度法开展了二维GPR模型的正演,展示了RK4ADE-PML对倏逝波的良好吸收效果.     

各向异性黏弹性介质伪谱法波场模拟

当地震信号通过复杂地球介质时，地层除了表现为各向异性，还表现为内在的黏弹性特征 因此，为准确描述地震波在地球介质中的传播特征，理想的地球介质模型应该能够模拟岩石 的各向异性特征和衰减特征.给出了各向异性黏弹性介质模型的波动方程，推导了伪谱法波场正演模拟的递推公式，并利用伪谱法实现了地震波波场数值模拟.表明了该介质模型中地 震波场特征与各向异性主轴方位和介质的黏滞性参数之间的关系. 关键词： 黏弹性 各向异性 伪谱法     

层状介质时域有限差分方法斜入射平面波引入新方式

应用二维时域有限差分方法分析层状介质中的目标散射时,在总场-散射场边界斜入射平面波源用常规方法难以引入,因为在总场-散射场边界处设置的入射波实际上包含了入射脉冲以及各分层界面的反射和多次反射.为解决这个问题,提出了斜入射平面波的混合引入方式,即对总场-散射场的四个边界面采取不同的处理方式.对于总场-散射场的纵向侧边界,用含有斜入射角度的修正一维时域有限差分方法,只要在自由空间位置加入入射脉冲就会自行产生由各分层界面形成的反射波,包括多次反射.同时,把纵向总场-散射场侧边界向下延伸,使得总场-散射场下边界位于完全匹配层内,这样透射波和散射波均为外向行波而被吸收.对于总场-散射场的上边界,由于完全位于自由空间中,边界上各点的入射波将是总场-散射场纵向边界角点处入射波的带有时间延迟的复制.数值模拟结果表明了本文所提出方法的正确性和有效性. 关键词： 时域有限差分 层状介质 斜入射平面波 修正一维麦克斯韦方程     

基底上覆分层薄膜超声Scholte波特性与薄膜定征

分层薄膜-基底结构广泛应用于微电子器件等诸多领域,但薄膜材料参数超声测量尤其是横波速度的定征是一个困难的问题。本文对液固界面Scholte界面波的频散特性和脉冲激励的声压响应进行了理论分析。结果表明,液固界面Scholte波频散与分层膜-基底结构的速度分布密切相关。薄膜材料各层的厚度和横波速度对界面波频散特性有显著影响。基于Scholte界面波的频散特性,提出了一种多层膜的多参数反演定征方法。首先针对理论信号进行薄膜参数反演,验证了该方法的可行性。后续对不同类型的多层膜材料样品进行了液固界面波激发与采集实验,实验信号的薄膜参数反演结果进一步验证了该方法的可行性和有效性。     

液滴在不同润湿性表面上蒸发时的动力学特性

基于润滑理论,采用滑移边界条件建立了二维液滴厚度的演化模型和移动接触线动力学模型,利用数值计算方法模拟了均匀加热基底上固着液滴蒸发时的动力学特性,分析了液-气、固-气和液-固界面张力温度敏感性对壁面润湿性和液滴动态特性的影响.结果表明,液滴的运动过程受毛细力、重力、热毛细力和蒸发的影响,重力对液滴铺展起促进作用,而毛细力、热毛细力则起抑制作用;通过改变界面张力温度敏感性系数,可使液滴蒸发过程中的接触线呈现处于钉扎或部分钉扎模式,且接触线钉扎模式下的液滴存续时间低于部分钉扎模式;提高液-气与液-固界面张力温度敏感系数均可改善壁面润湿性能,加快液滴铺展速率;而增大固-气界面张力温度敏感系数则导致壁面润湿性能恶化、延缓液滴铺展过程;通过改变固-气界面张力温度敏感系数更有利于调控处于蒸发状态下的液滴运动.     

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。