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极坐标系下非分裂PML及时域有限元实现-应用数学和力学
, 36 9 Applied Mathematics and Mechanics
2015年9月15 日出版 Vol.36,No.9,Sep.15,2015
文章编号:1000⁃0887(2015)09⁃0956⁃14 ⓒ 应用数学和力学编委会,ISSN 1000⁃0887
极坐标系下非分裂 PML及时域有限元实现∗
1,2 1 2
周凤玺 , 曹小林 , M·B·贾克萨
(1. 兰州理工大学 土木工程学院,兰州 730050;
2. 阿德莱德大学 土木环境与采矿工程学院,阿德莱德 5005,澳大利亚)
摘要: 在弹性波传播的数值模拟中,吸收边界被广泛应用于截取有限空间进行无限空间问题的
分析.完全匹配层(perfect matched layer,PML)吸收边界较其它吸收边界条件具有更优越的吸收性
能,已被成功应用于直角坐标系下的弹性波方程正演模拟.考虑极坐标系下二阶弹性波动方程,通
过采用辅助函数的方法,提出了一种非分裂格式的完全匹配层吸收边界条件.并且基于Galerkin近
似技术,给出了非对称以及轴对称条件下的时域有限元计算格式.通过数值算例分析了该极坐标系
下分裂格式的完全匹配层吸收边界的有效性.
关 键 词: 完全匹配层; 极坐标系; 吸收边界条件; 时域有限元
中图分类号: O347.4 文献标志码: A
doi:10.3879/ j.issn.1000⁃0887.2015.09.007
引 言
时域有限单元法是模拟弹性波传播特性的重要方法之一,在地震工程、岩土工程以及地球
物理等领域有着十分广泛的应用.对于介质的空间尺度非常大,尤其是某些边界为无穷大的情
况下,在计算机进行波动数值模拟时,由于受到计算机内存和计算耗时的限制,必须截取有限
的空间区域进行模拟,这样就自然引入了人为的介质边界.当弹性波到达这些边界时产生的无
实际意义的边界反射波场将会直接影响到对问题的分析和判断.为了减弱或消除上述影响,就
必须在人工截止边界上附加一定的边界条件,通常被称为吸收边界条件,用来模拟外行波从近
场有限域通过人工边界无反射地进入远场无限域这一波动单向传播的物理过程.迄今已有多
[1⁃7] [1⁃2]
种吸收边界被广泛应用 ,其中粘性边界条件 是最早的人工边界条件之一.由于粘性边界
物理意义清楚,易于实现,尤其便于与商用有限元软件结合,因而被广泛应用于工程实践,但其
[5]
模拟精度较低.Clayton⁃Engquist边界 是最具代表性的局部人工边界条件之一,它采用Padé
有理近似代替波动方程的单向频散关系,然后变换回时域,得到一系列描述外行波的高阶微分
方程.理论和试验研究表明,外行波传播方向与人工边界外法向的夹角越小,其精度越高,并且
[6]
其所能覆盖的透射角范围随着边界阶数的增加而增大;旁轴近似边界 比较容易实现且能完
全吸收垂直入射波,但只在一定的角度和频率范围内能有效吸收反射波,且该方法对于Ray⁃
∗ 收稿日期: 2015⁃04⁃09;修订日期: 2015⁃05⁃06
基金项目: 国家自然科学基金51368038);甘肃省环境保护厅科研基金(GSEP⁃2014⁃23);
甘肃省教育厅研究生导师基金(1103⁃07)
作者简介: 周凤玺(1979—),男,甘肃人,副教授,博士,博士生导师(通讯作者. E⁃mail:geolut@163.
com).
956
周 凤 玺 曹 小
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