多尺度有限差分方法求解波动方程

小波分析是多尺度分析方法，本文利用具有紧支集的正交小波变换对有限差分方程进行空间多尺度近似，提出适合于层状介质波传问题数值计算的多尺度有限差分方法，将波动方程的求解转换到小波域中进行。利用小波基的自适应性与消失矩特性，有效减少了计算量、提高了稳定性，扩大了可求解的速度范围。地球物理勘探中的数值实例显示了算法具有良好效率。     

裂缝介质渗流多尺度混合有限元数值模拟研究

针对裂缝介质具有多尺度特点,建立了Darcy/Stokes-Brinkman多尺度耦合模型,采用多尺度混合有限元方法,对裂缝介质渗流问题进行了研究.阐述了多尺度混合有限元方法的基本原理,并推导得到Darcy/Stokes-Brinkman方程的多尺度混合有限元计算格式.数值计算结果表明,大尺度Darcy模型能够捕捉到小尺度上裂缝网络渗流特征;与网格粗化、传统有限元方法相比,多尺度混合有限元方法的基函数具有能反映单元内参数变化的优点,在保证计算精度的同时能够减少计算量,对于裂缝油藏具有良好的适用性.     

流体饱和多孔隙介质波动方程多尺度反演

基于多尺度的思想,将小波多分辨分析和多尺度方法相结合,应用于流体饱和多孔隙介质孔隙率的反演。利用小波变换,将原始反问题分解为不同尺度上的一系列子反问题,并按照尺度从粗到细的顺序依次求解。在每一个尺度上,都采用稳定、收敛快的正则化高斯牛顿法求解,次一级尺度上求出的“全局最优解”作为上一级的初始解,依此类推,直到求出原始问题的真正的全局最优解。通过与传统的正则化高斯牛顿法相比较,显示了小波多尺度法是一个大范围收敛、能够有效节省计算量的方法,数值模拟的结果也表明了方法的有效性。     

多尺度嵌入式离散裂缝模型模拟方法

天然裂缝性油藏和人工压裂油藏内裂缝形态多样,分布复杂,传统的离散裂缝模型将裂缝作为基岩网格的边界,采用非结构化网格进行网格划分,其划分过程复杂,计算量大。嵌入式离散裂缝模型划分网格时不需要考虑油藏内的裂缝形态,只需对基岩系统进行简单的网格剖分,可以大大降低网格划分的复杂度,从而提高计算效率。然而,在油藏级别的数值模拟和人工压裂裂缝下的产能分析中,仍然存在计算量巨大、模拟时间过长的问题。本文提出嵌入式离散裂缝模型的多尺度数值计算格式,使用多尺度模拟有限差分法研究嵌入式离散裂缝模型渗流问题。通过在粗网格上求解局部流动问题计算多尺度基函数,多尺度基函数可以捕捉裂缝与基岩间的相互关系,反映单元内的非均质性,因此该方法既有传统尺度升级法的计算效率,又可以保证计算精度,数值结果表明这是一种有效的裂缝性油藏数值模拟方法。     

混凝土多尺度应力响应方程及其数值模拟

针对混凝土的多相多尺度材料组成特征及其复杂力学响应问题, 首先, 根据混凝土中各组成材料的几何特征, 将C-S-H凝胶、硬化水泥浆体、砂浆及混凝土细观组成分别视为纳观、微观、亚细观和细观尺度上的复合材料, 并利用颗粒空间堆积方法, 重构了混凝土各尺度复合材料的简化几何模型; 其次, 基于重构的几何模型和等效夹杂理论, 通过等效刚度的升阶计算和应力响应的降阶计算, 建立各尺度复合材料应力响应之间的过渡关系, 推导混凝土多尺度应力响应方程, 并编制相应的计算程序; 最后, 以单轴压缩载荷作用为例, 数值计算载荷作用下混凝土各尺度复合材料中的应力响应, 分析骨料空间位置和相互作用以及水化产物刚度、几何形状和空间取向对其应力响应的影响规律. 结果表明, 单轴压缩载荷作用下, 混凝土细观组成中的应力分布并不均匀; 骨料颗粒之间的距离影响到混凝土中的应力分布, 其有效影响范围约为骨料粒径的6倍; 水泥水化产物的刚度、几何形状和空间取向是影响其应力分布的重要因素, 刚度越大, 所受应力越大, 与载荷作用方向的夹角越小, 长椭球形水化产物沿载荷作用方向的应力越大, 扁椭球形水化产物与之相反.      

多尺度模拟与计算研究进展

简要介绍了多尺问题与研究方法.重点论述了两类常见多尺度问题的模拟计算方法与研究进展,分析了各自的优缺点和使用范围.对现有研究的局限性和存在的问题进行分析,指出了进一步研究多尺度模拟与计算的必要性.介绍了求解含有孤立缺陷问题的非局部准连续体法,MAAD等方法以及求解基于微观模型本构模拟问题的局部连续体法、HMM等方法.文章对多尺度模拟与计算的前景进行展望,提出了一些亟待解决的问题.     

双相各向异性介质弹性波场有限差分正演模拟

从双相各向异性介质模型出发,以Boit理论为基础,推导了斜方晶系各向异性介质一阶弹性波动方程.引入固、流体密度比和孔隙几何参数,将Biot方程系数简化为测量简单、物理意义明确的物理量.采用交错网格技术建立了各向异性孔隙介质波动方程的高精度差分格式,并首次对这类差分格式的频散特性和稳定性作了详细分析讨论,解决了计算稳定性和边界反射问题.与解析解的对比以及理论模型的数值模拟都表明,该方法不仅大大降低了计算量,提高了正演速度,并且具有良好的稳定性和精确性.     

微纳米尺度下材料性能多尺度模拟方法进展

微纳米材料的力学行为正日益引起研究者的关注.微纳米材料的性能取决于从微观、细观到宏观多个空间、时间尺度上不同物理过程非线性耦合演化的结果,发展相应的多尺度数值模拟方法已成为该领域研究工作的一个热点.本文对微纳米材料模拟中比较典型的几种协同多空间尺度和协同多时间尺度方法进行了介绍,着重介绍这些方法的的基本思想、应用情况, 以及各自的优缺点,并对微纳米材料多尺度方法的发展趋势进行总结和评述.      

基于多尺度几何变换的导航雷达图象去噪仿真

导航雷达在采集、传输和显示过程中,由于多种因素的影响导致最终形成的图像中含有大量的噪声,影响了使用者对导航信息的分析和应用.传统的雷达图像去噪算法大多采用小波变换,但这种方法存在边缘模糊等问题.为了去除导航图像的噪声并解决小波变换中存在的边缘模糊问题,本文提出用基于多尺度几何变换的图像去噪方法对导航雷达图像进行处理,并利用基于多尺度几何变换的方法(包括基于Curvelet系数维纳滤波去噪方法和基于Contourlet域去噪方法)和基于小波变换的BayesShrink方法分别对含有模拟杂波和噪声的导航雷达图像进行仿真实验.实验结果表明:与基于小波变换的图像去噪方法相比,基于多尺度几何变换去噪方法能够更加有效去除雷达杂波和噪声.     

FPU方程的多尺度保辛摄动积分

FPU问题是一个经典非线性问题,其计算涉及多尺度分析。本文针对FPU问题,提出多尺度保辛摄动算法,该方法具有多尺度效应,可以按不同尺度显示计算结果,长时间计算保真,可以克服刚性问题,采用较大的积分步长,可以克服数值共振现象。数值算例显示了本文算法的有效性。     

Numerical simulation and homogenization of two-phase flow in heterogeneous porous media

A mathematically rigorous method of homogenization is presented and used to analyze the equivalent behavior of transient flow of two incompressible fluids through heterogeneous media. Asymptotic expansions and H-convergence lead to the definition of a global or effective model of an equivalent homogeneous reservoir. Numerical computations to obtain the homogenized coefficients of the entire reservoir have been carried out via a finite element method. Numerical experiments involving the simulation of incompressible two-phase flow have been performed for each heterogeneous medium and for the homogenized medium as well as for other averaging methods. The results of the simulations are compared in terms of the transient saturation contours, production curves, and pressure distributions. Results obtained from the simulations with the homogenization method presented show good agreement with the heterogeneous simulations.     

A wavelet finite-difference method for numerical simulation of wave propagation in fluid-saturated porous media

In this paper, we consider numerical simulation of wave propagation in fluidsaturated porous media. A wavelet finite-difference method is proposed to solve the 2-D elastic wave equation. The algorithm combines flexibility and computational efficiency of wavelet multi-resolution method with easy implementation of the finite-difference method. The orthogonal wavelet basis provides a natural framework, which adapt spatial grids to local wavefield properties. Numerical results show usefulness of the approach as an accurate and stable tool for simulation of wave propagation in fluid-saturated porous media.     

非均匀介质弹性波动方程的不规则网格有限差分方法

从弹性波动方程出发,提出了一种新的空间不规则网格有限差分方法,并用于求解非均匀各向异性介质中的弹性波正演问题。这种方法简单易行,对于复杂几何结构,例如低速层、套管井和非平面界面等,在较细的不规则网格上进行离散,计算时间和占用内存更少。与多重网格差分方法相比,该方法不需要粗、细网格之间的插值,所有网格差分计算在同一次空间迭代中完成。具有复杂几何交界面的模型计算,包括地下透镜体、套管井眼等,在确定弹性常数和密度后,用不规则网格的差分方法更易实现。该方法使用了Higdon吸收边界条件解决人工边界反射问题,引入了新的稳定性条件和网格频散条件,很好地消除了非物理散射波。理论模型的效值计算表明,该方法具有良好的稳定性和计算精度,在模拟非均匀介质弹性波传播时,比相同精度的规则网格有限差分方法计算速度更快。该方法易于推广到非结构网格和三维问题中。     

Mathematical model of two-phase fluid nonlinear flow in low-permeability porous media with applications

IntroductionItisasuccessfulexampleinadevelopmentstoryofscienceandtechnologyformechanicsoffluidsinporousmediatocombinewithengineeringtechnology .Fieldsinfluencedbythemechanicsinvolveddevelopmentofoil_gasandgroundwaterresources,controlonseawaterintrusionandsubsidenceandgeologichazards,geotechnicalengineeringandbioengineering ,andairlineindustry[1～ 7].Aproblemonnonlinearflowinlow_permeabilityporousmediaisbutonlyabasiconeindifferentkindsofengineeringfields,butalsooneoffrontlineresearchfieldsofmod…     

非均质饱和多孔介质弹塑性动力分析的广义耦合扩展多尺度有限元法

针对非均质饱和多孔介质弹塑性动力问题分析提出了一种广义耦合扩展多尺度有限元方法。首先,提出了基于细尺度等效刚度阵的粗尺度单元数值基函数构造方法,并给出了构造数值基函数的一般公式,所构造的耦合数值基函数有效考虑了动力相关效应与固液之间的耦合效应。其次,针对弹塑性非线性问题迭代求解,给出了基于摄动方法的位移与孔隙压强降尺度计算修正方案。最后,针对材料的强非均质特征,利用多节点粗单元技术来提高多尺度有限元方法的计算精度。通过与基于精细网格的传统有限元分析结果对比,验证了本文所提出方法的有效性与高效性。     

Finite element analysis of wave propagation in fluid-saturated porous media

Ｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｔｒａｎｓｉｅｎｔｒｅｓｐｏｎｓｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｐｏｒｏｕｓｍｅｄｉａｐｌａｙｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔｒｏｌｅｉｎａｌｏｔｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓｓｕｃｈａｓｔｒａｎｓｉｅｎｔｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ,ｎｏｉｓｅｃｏｎｔｒｏｌ,ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ．Ｂｉｏｔ［１］ｏｒｉｇｉｎａｌｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｉｎｆｌｕｉｄ＿ｓａｔｕｒａｔｅｄｐｏ…     

Sloshing simulation of standing wave with time-independent finite difference method for Euler equations

The numerical solutions of standing waves for Euler equations with the nonlinear free surface boundary condition in a two-dimensional(2D) tank are studied.The irregular tank is mapped onto a fixed square domain through proper mapping functions. A staggered mesh system is employed in a 2D tank to calculate the elevation of the transient fluid.A time-independent finite difference method,which is developed by Bang-fuh Chen,is used to solve the Euler equations for incompressible and inviscid fluids.The numer...     

小波变换在湍流数值研究中的应用

小波变换具有时空双局部性特点,恰好适应了湍流特性。本文主要阐述了小波在湍流数值计算中的两大研究进展:一个是利用连续小波(高斯小波)可使L ap lace算子降阶的特性来求解N-S方程;另一个是正交小波与有限元法相结合的方法——相干涡模拟。指出它们的优缺点及其存在的问题,并对小波在湍流计算中的应用前景作了展望。     

Finite element modelling of two-phase heat and fluid flow in deforming porous media

This paper details a finite element model which describes the flow of two-phase fluid and heat within a deforming porous medium. The coupled governing equations are derived in terms of displacements, pore pressures and temperatures, and details of the time-stepping algorithm and thermodynamic considerations are also presented. Two numerical examples are included for verification.