消除多次透射公式漂移失稳的措施

基于对双曲型偏微分方程数值解稳定性的GKS（Gustafsson,Kreiss and Sundstroem)准则的一种物理解释,提出了在波动数值模拟中消除多次透射公式飘移失稳的一个简单措施,并用波源问题和散射问题的数值试验检验了这一措施在稳定实现多次透射公式中的有效性。     

多次透射公式飘移问题的控制方法

多次透射公式(multi-transmitting formula, MTF)是在近场波动数值模拟中一种广泛应用的人工边界条件, 具有形式简单、精度可控和通用性好的优点, 但高阶MTF与有限元方法相结合有时会出现飘移问题. 现有的几种MTF消飘方法往往会显著地影响边界精度, 为此本文提出一种新的消飘因子修正MTF格式, 能够在较高精度水平下实现对飘移问题的有效控制. 该方法保持MTF的一次透射项不变, 仅对各高次透射误差项进行修正, 从而大幅降低了因消飘因子造成的精度损失. 消飘因子设置格式确保在零频和零波数情形下能够满足GKS准则, 从理论上保证了消飘目标的实现. 进一步给出该方法的高阶统一形式, 并将传统的消飘因子修正MTF的方法归结为该统一形式的一个特例. 通过反射系数分析, 证明本文方法不仅具有精度优势, 而且消飘因子选取的适应性更强、取值范围更广. 数值算例表明, 本文的消飘因子对波动能量比较集中的法向和小角度透射波动的模拟精度影响很小, 在控制高阶MTF飘移问题和保持模拟精度方面, 均能够取得明显效果.      

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:一维波动

多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)是一种具有普适性的局部人工边界条件,但其在近场波动数值模拟中一般与有限元法结合.由于波动谱元模拟的数值格式与有限元格式有极大的不同,传统的MTF在谱元离散格式中无法直接实现.为了使物理概念清楚、精度可控的多次透射人工边界条件能够适应波动谱元模拟的需求,首先指出多次透射边界与谱元离散格式结合的基本问题,并分析了空间内插和时间内插两种方案的可行性.然后从空间内插角度出发,提出基于拉格朗日多项式插值模式的MTF谱元格式,并采用一种简单内插方法实现高阶MTF.最后通过一维波动数值试验检验这些MTF谱元格式的精度,并讨论其数值稳定性.结果表明:对于一、二阶MTF,几种格式的精度相当;对于三、四阶MTF,基于谱单元位移模式插值的格式精度最高.相反,随着插值多项式阶次的升高,不同MTF格式的稳定临界值逐步降低,但是所有格式均在人工波速大大超过物理波速时才可能发生失稳.     

透射边界条件在波动谱元模拟中的实现:二维波动

将邢浩洁和李鸿晶提出的多次透射公式(multi-transmitting formula,MTF)的谱元格式应用于均匀介质中线弹性SH波动问题的谱元模拟.假定紧邻人工边界的一层谱单元为具有直线边界的四边形单元,以保证每个人工边界节点都唯一对应一条指向内域的离散网格线.人工边界节点在某时刻的位移由该离散网格线上的节点在前若干时刻的位移确定,按照MTF谱元格式进行计算.通过平面波以一定角度传播的外源问题算例和点源脉冲自由扩散的内源问题算例,验证了方法的可行性以及对实际复杂波动问题的适用性.通过不同类型初值问题算例,在时域内分析了插值多项式阶次、人工波速和透射阶次三个参数对反射误差的影响.结果表明:插值多项式阶次较高的格式会表现出更好的精度,但总体上对反射误差的影响较小;人工波速对反射误差具有显著影响,当人工波速小于介质物理波速时反射误差较大,而当人工波速等于或稍大于介质物理波速时反射误差处于较低水平;透射阶次对反射误差具有决定性影响,表现在不失稳的情形下提高透射阶次能够迅速降低反射误差,但内源问题从三阶MTF开始出现飘移失稳,外源问题从二阶MTF开始出现轻微的飘移失稳.     

时域局部透射边界的计算飘移失稳

本文通过对时域局部透射边界特性及应用结果分析，发现了多次透射边界的一种非高频振荡失稳的失稳性，并就此给出了人工边界的计算飘移失稳的概念．文中对多次透射边界的计算飘移失稳现象及失稳机制作了分析，探讨了飘移失稳发生的条件，提出了一种简单有效的消除飘移失稳的方法     

多次透射公式在波动数值模拟中的一种实现方案

将一种常用的吸收边界条件─多次透射公式合并于紧接人工边界的内节点控制方程给出了该公式的一个新的实现方案.该方案较之原实现方案不仅收缩了计算区、改进了边界的模拟精度,而且揭示了该公式截断误差的阶数与大区域数值解之间的关系,阐明了提高吸收边界的精度阶对改进波动数值模拟精度的局限性.通过数值试验比较了新方案、原方案及Givoli-Neta吸收边界条件的在人工边界上的精度,结果表明前者优于后二者.     

局部人工边界稳定性的一种分析方法

采用时域局部人工边界同有限元或有限差分相结合的方法分析无界域中的波动问题时可能出现由边界引起的数值失稳现象．本文提出一种分析局部人工边界稳定性的实用方法．该方法从时域逐步积分格式出发，考虑了边界节点运动和内部节点运动的耦合以及离散化的影响，可以给出局部人工边界在多维波动数值模拟中的稳定性近似准则．文中对多次透射边界在一维及二维出平面波动模拟中稳定性的分析结果，表明了该方法的合理性     

透射边界高频失稳机理及其消除方法——SH波动

用有限元法求解近场波动问题,须选取人工边界条件以实现对无限域稳定、高效的数值模拟. 该文探讨了SH波导 有限元数值模拟中透射边界引发的高频失稳问题. 从离散模型出发,分析了内节点与人工边界节点运动方程频散曲线之间的匹配关系,揭示了高频失稳的一种机理,即二者相互耦合所 得计算方案支持自发从人工边界向计算区域内行进的高频波动. 提出通过调整内节点运动方程以改变这一匹配关系,从而消除失稳的措施. 理论分析与数值结果表明该措施能有效地消除高频振荡失稳.     

流固耦合地震波动问题的显式谱元模拟方法

流固耦合地震波动问题主要研究由流体和固体构成的复杂系统中地震波传播特性及其规律. 传统模拟方法中一般以声波方程、弹性波方程的数值解分别描述理想流体和弹性固体中的波动, 并实时地处理两种不同性质介质之间的相互耦合作用, 数值格式复杂且限制数值模拟精度与计算效率. 本文采用谱元法结合多次透射公式人工边界条件实现了一种流固耦合地震波动问题的高阶显式数值计算方法. 该方法利用了流固耦合问题统一计算框架,可将饱和多孔介质的Biot波动方程分别退化为理想流体的声波方程和弹性固体的弹性波方程. 通过P波垂直入射的水平成层理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型、P波斜入射的不规则层状界面以及任意形状界面的理想流体-饱和多孔介质-弹性固体场地模型等三个算例, 与传递函数法解析解以及集中质量有限元法计算结果进行对比分析, 证明了本文方法的正确性与有效性. 数值模拟结果表明, 本文方法相较传统有限元法可以少得多的节点数量获得更高的数值精度, 并且在较宽的频率范围内都能可靠地模拟出流固耦合系统的动力响应, 充分体现出本文方法兼顾高精度、计算效率和复杂场地建模灵活的特点.      

近场波动模拟的一种应力人工边界

采用平面波和远场散射波混合透射，引入无限介质线弹性本构关系建立了一种应力人工 边界条件. 其优点在于边界结点反应与内部有限元结点反应采用相同的积分格式计算，有限 元积分方法稳定时不存在人工边界失稳问题. 数值算例表明：边界精度高于现有黏性边 界、黏弹性人工边界，以及一、二阶透射人工边界.     

双相介质波动方程孔隙率反演的同伦方法

从材料响应的理论合成应与实际测量数据相拟合这一出发点，将双相介质波劝方程参数的反演问题转化为非线性算子方程的零点求解问题，从而应用一种大范围收敛的同伦方尘土注来解非线性算子方程，并把这种方法用于Simon(1984)给出的具有解析的一维双相介质模型的数值模拟，最后的数值结果表明，给出的算法是十分有效的。     

球形重质气体物理爆炸特性

基于大涡模拟方法,结合高阶混合格式,对高压重质的SF₆球形气云在空气中爆炸进行了模拟。数值模拟表明,爆炸产生的激波经过气体分界面时分为透射激波以及反射稀疏波,透射激波导致气体分界面处Richtmyer-Meshkov失稳增强,从而加速了2种气体的混合,而反射的稀疏波经过汇聚,在球心处形成二次激波,在该强激波作用下,流场区域基本呈现湍流形态。     

聚心火焰与激波相互作用的数值研究

基于带化学反应的2维轴对称Euler方程,利用带有monotonized centered(MC)限制器的波传播算法,在两端敞开的圆桶中对惰性介质的聚心激波和氢气-空气混合物的聚心火焰与激波的相互作用进行了数值模拟。数值结果表明,在惰性介质中激波在轴心的每次汇聚均可成长为马赫干,马赫干的追赶使激波得到一定程度的增强,但整体还呈下降趋势。在氢气-空气混合物中,燃烧诱导的激波,由于与火焰的反复作用,使激波在轴心处产生马赫干的频率和强度皆高于惰性介质中的情形。同时,火焰在与激波的相互作用过程中发生失稳变形,使其形状呈扁平头部的蘑菇云。     

冲击载荷下弹塑性浅桁架的失稳

1 引言浅桁架结构(图1)有两种可能的失稳:一是上下(垂向)翻转的跳跃失稳,这种失稳并不丧失结构几何形状的对称性;另一种是对称性的破损,即丧失结构左右对称性,我们简称横向失稳.在动载荷作用下,这两种失稳都同静态情形有很大不同.Huang 等讨论了理想弹     

非定常不定边界问题边界无法的若干进展

对于复杂的非线性工程问题的数值模拟,边界元法（ＢＥＭ）日益显示出优于区域解法的长处,特别是时间相关（需按时段逐步迭代推进）和含各种不定边界（造成可变区域,网络需不断重分）的情形,ＢＥＭ可显著减少存贮要求与计算量．针对非线性问题数值模拟的主要难点,即微分算子线性化,时间相关项与可动边界（非线性边条）的处理等,综述了国内外边界无法学术界的近期研究进展,总体目标是寻求一种适应多种微分算子、非线性迭代和时段推进计算效能高的稳定数值模式．      

非定常不定边界问题边界无法的若干进展

对于复杂的非线性工程问题的数值模拟,边界元法（ＢＥＭ）日益显示出优于区域解法的长处,特别是时间相关（需按时段逐步迭代推进）和含各种不定边界（造成可变区域,网络需不断重分）的情形,ＢＥＭ可显著减少存贮要求与计算量．针对非线性问题数值模拟的主要难点,即微分算子线性化,时间相关项与可动边界（非线性边条）的处理等,综述了国内外边界无法学术界的近期研究进展,总体目标是寻求一种适应多种微分算子、非线性迭代和时段推进计算效能高的稳定数值模式．     

时变磁场激励下金属圆板的电磁力特征分析

电磁力的计算是电磁成形这一新型加工工艺的关键问题之一,目前在工程界多采用近似的磁压力公式pm=B2/2μ0。该公式对加工工件半径较大且外加磁场频率较高时较为适用,在外加磁场频率较低或工件半径较小时有较大误差。本文基于Maxwell方程组推导了在外加横向磁场作用下金属圆板上涡电流分布的特征,进而给出了电磁力解析表达式,在此基础上得到修正的电磁压力公式。分析结果表明:本文得到的修正磁压力公式在工件半径较大,外加磁场频率较高时和原磁压力公式趋于一致,对于小尺寸,外加磁场频率较低的情形也能进行模拟.这对低频磁场下,小尺寸工件的磁致成形工艺具有指导意义。     

采动诱发岩体移动破坏过程数值模拟研究

本文基于岩石介质的宏观非线性主要是由非均质性和各向异性造成的, 应用新的数值计算软件RFPA(2D), 对采动引起岩体失稳破坏的全过程进了数值模拟研究。     

考虑场地介质随机特性的无限域波动分析

针对场地介质具有随机特性的无限域地震波动分析问题，在概率空间中将随机反应向量按随机介质场离散所得主导随机变量的正交多项式级数形式展开，使随机微分方程变换确定性的扩阶线性方程组，并在波动的元模拟技术的基础上，构造了扩阶透射人工边界公式，两者结合形成了求解无限域随机介质中波动传播问题的有限元分析方法，该方法不仅不受基于摄动思想各类方法的久期项的干扰，而且避免了采用模拟方法时人工边界区单元参数样本不均匀所引起的数值计算不稳定问题。     

波动数值模拟中的外推型人工边界条件

当前波动数值模拟中的人工边界条件(artificial boundary condition, ABC)数量繁多, 但用于串联它们的理论及公式体系还需进一步完善, 以便在复杂波动问题模拟中更准确地选取ABC并评估其性能. 本工作发展一种外推型人工边界条件理论, 将一系列利用临近边界一组节点在前若干时刻的运动来外推人工边界节点运动的经典ABC纳入一个体系. 这些ABC包括廖氏透射边界(multi-transmittig formula, MTF)、旁轴近似边界、Higdon边界以及Givoli-Neta、Hagstrom-Warburton、AWWE辅助变量边界等. 针对现有边界公式存在的不足, 分别提出一种引入多个人工波速进行优化的MTF公式(离散公式)和一种定义在统一局部坐标之上并采用多个人工波速作为控制参数的统一Higdon边界公式(连续公式或微分方程形式ABC), 作为外推型ABC的两个基本公式. 这二者是最简单实用的外推型ABC, 其他同类ABC大多可以由它们转化得到, 或者通过某种等价的中间形式与之相关联. 数值试验证实了理论的正确性, 并初步展示了多人工波速ABC比传统单一人工波速ABC所具有的优势. 研究结果不仅具有重要理论价值, 还为更好地解决具有差异较大的多种物理波速的复杂波动, 如大纵横波速比的软土介质中波动或海洋声学、 气象学中的频散波动等的ABC问题提供了实用方法.