可压缩流气动声场的数值模拟

气动声学是一门流动力学和声学之间的交叉学科，主要研究流动及其与物体相互作用产生噪声的机理。动用计算技术研究气动声学问题的手段称为计算气动声学。本文的目的是，基于高精度数值算法的研究，分别运用Lighthill比拟理论、Kirchhoff积分和直接数值模拟等方法，针对翼型绕流、激波-涡干扰和轴对称射流，研究了物面非定常脉动压力、涡脱落、激波-涡干扰以及涡对并等产生噪声的机理。首先针对声场与主流场在能级和特征尺度等方面的差异，从空间离散角度分析了几种差分格式，表明迎风紧致格式/对称紧致格式有较小的数值色散、耗散和各向异性误差，因而适用于气动噪声的计算。以Runge-Kutta格式为例，对时间离散带来的误差进行了分析。指出对声波计算来说，仅考虑格式稳定性是不够的，时间步长还受到允许色散误差和耗散误差的限制。基于保色戎关系的思想，构造了优化Runge-Kutta格式。处例显示优化Runge-Kutta格式相对于经典格式有更高的计算效率。采用3阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式数值模拟了NACA0012翼型的可压缩非定常绕流流场，并将此流场作为近场声源，运用声学比拟理论对偶极子声和四极子声进行研究。结果指出，主流速度对远场声压有决定性影响，在来流马赫数较大时，四极子噪声和偶极子噪声具有相同量级，不能被忽略，表明了可压缩效应对声场的影响。采用5阶迎风紧致格式和4阶Runge-Kutta格式求解非定常可压缩Navier-Stokes方程，对激波-单涡/双涡干扰导致的声场进行了直接数值模拟。详细研究了激波-涡干扰产生噪声的机理，指出噪声的产生及其性质和激波变形密切相关。研究了近场噪声衰减和传播距离r的关系，发现噪声衰减大致和r~(4/5)而不是r~(1/2)成反比关系，提出这种差异是由流场的非线性效应引起的。构造了Kirchhoff积分和非定常流动计算相结合的算法。采用5阶迎风紧致格式和3阶Runge-Kutta格式对亚声速轴对称射流进行直接数值模拟。将射流流场作为近场声源，结合Kirchhoff方法求解远场 气动噪声。数值结果表明远场噪声具有方向性，噪声声压在离开对称轴20°处达到最大值。随着传播距离增大，噪声方向性逐渐减弱。

积分偏移的计算几何与并行实现

The Second Round of Oil & Gas Exploration needs more precision imaging method, velocity vs. depth model and geometry description on Complicated Geological Mass. Prestack time migration on inhomogeneous media was the technical basic of velocity analysis, prestack time migration on Rugged surface, angle gather and multi-domain noise suppression. In order to realize this technique, several critical technical problems need to be solved, such as parallel computation, velocity algorithm on ununiform grid and visualization. The key problem is organic combination theories of migration and computational geometry. Based on technical problems of 3-D prestack time migration existing in inhomogeneous media and requirements from nonuniform grid, parallel process and visualization, the thesis was studied systematically on three aspects: Infrastructure of velocity varies laterally Green function traveltime computation on ununiform grid, parallel computational of kirchhoff integral migration and 3D visualization, by combining integral migration theory and Computational Geometry. The results will provide powerful technical support to the implement of prestack time migration and convenient compute infrastructure of wave number domain simulation in inhomogeneous media. The main results were obtained as follows: 1. Symbol of one way wave Lie algebra integral, phase and green function traveltime expressions were analyzed, and simple 2-D expression of Lie algebra integral symbol phase and green function traveltime in time domain were given in inhomogeneous media by using pseudo-differential operators’ exponential map and Lie group algorithm preserving geometry structure. Infrastructure calculation of five parts, including derivative, commutating operator, Lie algebra root tree, exponential map root tree and traveltime coefficients , was brought forward when calculating asymmetry traveltime equation containing lateral differential in 3-D by this method. 2. By studying the infrastructure calculation of asymmetry traveltime in 3-D based on lateral velocity differential and combining computational geometry, a method to build velocity library and interpolate on velocity library using triangulate was obtained, which fit traveltime calculate requirements of parallel time migration and velocity estimate. 3. Combining velocity library triangulate and computational geometry, a structure which was convenient to calculate differential in horizontal, commutating operator and integral in vertical was built. Furthermore, recursive algorithm, for calculating architecture on lie algebra integral and exponential map root tree (Magnus in Math), was build and asymmetry traveltime based on lateral differential algorithm was also realized. 4. Based on graph theory and computational geometry, a minimum cycle method to decompose area into polygon blocks, which can be used as topological representation of migration result was proposed, which provided a practical method to block representation and research to migration interpretation results. 5. Based on MPI library, a process of bringing parallel migration algorithm at arbitrary sequence traces into practical was realized by using asymmetry traveltime based on lateral differential calculation and Kirchhoff integral method. 6. Visualization of geological data and seismic data were studied by the tools of OpenGL and Open Inventor, based on computational geometry theory, and a 3D visualize system on seismic imaging data was designed.

有源电磁扩散场克希霍夫积分偏移

As active electromagnetic method, field data of CSAMT method follow the equation of diffusion. Propagting in solid earth media, diffusion EM signal has strong attenuation and dispersion, otherwise seismic wave shows weak attenuation and dispersion, therefore the resolution power of CSAMT method is not better than seismic reflection method. However, there is consistence and similarity between EM signal and seismic wave in wave equation, we can apply Kirchhoff integral migration technique, a proven one in seismic method in time domain, to carry out seduo-seismic processing for CSAMT signal in frequency domain so that the attenuation and dispersion could be made compensated in some extent, and the resolution power and interpretation precision of active EM wave could be improved. Satisfying passive homogeneous Helmholtz quation, we proceed with Green theorem and combine the active inhomogenous Helmholtz quation, the Kirchhoff integral formula could be derived. Given practical problems, if we only consider the surface integral value, and assume that the intergral value in other interface is zero, combined with Green theorem in uniform half space, the expression could be simplified, and we can obtain frequency-domain Kirchhoff integral formula in surface, which is also called downward continuation of EM field in frequency domain. With image conditions and energy compensation considered, in order to get image conditions in time domain Fourier inverse transformation in frequency domain can be performed, so we can formulate the active Kirchhoff integral migration expression. At first, we construct relative stratified model, with different frequency series taken into account, then we change the distances between transmitter and reciever, the EM response can be obtained. Analyzing the EM properties, we can clarify near and far zone that can instruct us to carry out transmitter layout in practical application. Combined with field data surveyed in far zone, We perform Kirchhoff integral migration and compare the results with model to interpret. Secondly, with far field EM data, we apply TM mode to get EM response of given 2D model, then apply Kirchhoff integral migration on modelling data and interpret the results.

地震波场延拓+菲涅尔体叠加方法及成像效果

In the increasingly enlarged exploration target, deep target layer(especially for the reservoir of lava) is a potential exploration area. As well known, the reflective energy becomes weak because the seismic signals of reflection in deep layer are absorbed and attenuate by upper layer. Caustics and multi-values traveltime in wavefield are aroused by the complexity of stratum. The ratio of signal to noise is not high and the fold numbers are finite(no more than 30). All the factors above affect the validity of conventional processing methods. So the high S/N section of stack can't always be got with the conventional stack methods even if the prestack depth migration is used. So it is inevitable to develop another kind of stack method instead. In the last a few years, the differential solution of wave equation was hold up by the condition of computation. Kirchhoff integral method rose in the initial stages of the ninetieth decade of last century. But there exist severe problems in it, which is are too difficult to resolve, so new method of stack is required for the oil and gas exploration. It is natural to think about upgrading the traditionally physic base of seismic exploration methods and improving those widely used techniques of stack. On the other hand, great progress is depended on the improvement in the wave differential equation prestack depth migration. The algorithm of wavefield continuation in it is utilized. In combination with the wavefield extrapolation and the Fresnel zone stack, new stack method is carried out It is well known that the seismic wavefield observed on surface comes from Fresnel zone physically, and doesn't comes from the same reflection points only. As to the more complex reflection in deep layer, it is difficult to describe the relationship between the reflective interface and the travel time. Extrapolation is used to eliminate caustic and simplify the expression of travel time. So the image quality is enhanced by Fresnel zone stack in target. Based on wave equation, high-frequency ray solution and its character are given to clarify theoretical foundation of the method. The hyperbolic and parabolic travel time of the reflection in layer media are presented in expression of matrix with paraxial ray theory. Because the reflective wave field mainly comes from the Fresnel Zone, thereby the conception of Fresnel Zone is explained. The matrix expression of Fresnel zone and projected Fresnel zone are given in sequence. With geometrical optics, the relationship between object point in model and image point in image space is built for the complex subsurface. The travel time formula of reflective point in the nonuniform media is deduced. Also the formula of reflective segment of zero-offset and nonzero offset section is provided. For convenient application, the interface model of subsurface and curve surface derived from conventional stacks DMO stack and prestack depth migration are analyzed, and the problem of these methods was pointed out in aspects of using data. Arc was put forward to describe the subsurface, thereby the amount of data to stack enlarged in Fresnel Zone. Based on the formula of hyperbolic travel time, the steps of implementation and the flow of Fresnel Zone stack were provided. The computation of three model data shows that the method of Fresnel Zone stack can enhance the signal energy and the ratio of signal to noise effectively. Practical data in Xui Jia Wei Zhi, a area in Daqing oilfield, was processed with this method. The processing results showed that the ability in increasing S/N ratio and enhancing the continuity of weak events as well as confirming the deep configuration of volcanic reservoir is better than others. In deeper target layer, there exists caustic caused by the complex media overburden and the great variation of velocity. Travel time of reflection can't be exactly described by the formula of travel time. Extrapolation is bring forward to resolve the questions above. With the combination of the phase operator and differential operator, extrapolating operator adaptable to the variation of lateral velocity is provided. With this method, seismic records were extrapolated from surface to any different deptlis below. Wave aberration and caustic caused by the inhomogenous layer overburden were eliminated and multi-value curve was transformed into the curve.of single value. The computation of Marmousi shows that it is feasible. Wave field continuation extends the Fresnel Zone stack's application.

多波分量地震资料处理解释方法

To deal with some key problems in multi-component seismic exploration, some methods are introduced in this thesis based on reading amounts of papers about multi-component seismic theories and methods. First, to find a solution for the detection of the fracture density and orientation in igneous, carbonate and shale reservoirs, a large amount of which exist in domestic oil fields with low exploration and development degree, a new fast and slow shear waves separation method called Ratio Method based on S-wave splitting theory is discussed in this thesis, through which the anisotropy coefficient as well as fracture parameters such as density and azimuthal angle can be acquired. Another main point in this thesis involves the application of seismic velocity ratio (Vp/Vs) to predict the Hthological parameters of subsurface medium. To deal with the unfeasibility of velocity ratio calculation method based on time ratio due to the usually low single-noise ratio of S-wave seismic data acquired on land, a new method based on detailed velocity analysis is introduced. Third, pre-stack Kirchhoff integral migration is a new method developed in recent years, through which both S and P component seismic data as well as amplitude ratio of P/S waves can be acquired. In this thesis, the research on untilizing the P and S wave sections as well as amplitude ratio sections to interpret low-amplitude structures and lithological traps is carried out. The fast and slow shear wave separation method is then be applied respectively to detect the density and azimuthal angle of fractures in an igneous rock gas reservoir and the coal formation in a coal field. Two velocity ratio-calculating methods are applied respectively in the lithological prediction at the gas and coal field after summarizing a large amount of experimental results draw domestically and abroad. P and S wave sections as well as amplitude ratio sections are used to identify low-amplitude structures and lithological traps in the slope area of a oil-bearing sedimentary basin. The calculated data concerning fracture density and azimuthal angle through the introduced method matches well with the regional stress and actual drilling data. The predicted lithological data reflects the actual drilling data. Some of the low-amplitude and lithological traps determined by Kirchhoff migration method are verified by the actual drilling data. These results indicate that these methods are very meaningful when dealing with complex oil and gas reservoir, and can be applied in other areas.

Migração com amplitude verdadeira em meios com gradiente constante de velocidade

Este trabalho tem por objetivo a aplicação de um método de migração com amplitudes verdadeiras, considerando-se um meio acústico onde a velocidade de propagação varia linearmente com a profundidade. O método de migração é baseado na teoria dos raios e na integral de migração de Kirchhoff, procurando posicionar de forma correta os refletores e recuperar os respetivos coeficientes de reflexão. No processo de recuperação dos coeficientes de reflexão, busca-se corrigir o fator de espalhamento geométrico de reflexões sísmicas primárias, sem o conhecimento a priori dos refletores procurados. Ao considerar-se configurações fonte-receptor arbitrárias, as reflexões primárias podem ser imageadas no tempo ou profundidade, sendo as amplitudes do campo de ondas migrado uma medida dos coeficientes de reflexão (função do ângulo de incidência). Anteriormente têm sido propostos alguns algoritmos baseados na aproximação de Born ou Kirchhoff. Todos são dados em forma de um operador integral de empilhamento de difrações, que são aplicados à entrada dos dados sísmicos. O resultado é uma seção sísmica migrada, onde cada ponto de reflexão é imageado com uma amplitude proporcional ao coeficiente de reflexão no ponto. No presente caso, o processo de migração faz uso de um modelo com velocidade que apresenta uma distribuição que varia linearmente com a profundidade, conhecido também como gradiente constante de velocidade. O esquema de migração corresponde a uma versão modificada da migração de empilhamento por difração e faz uso explícito da teoria do raio, por exemplo, na descrição de tempos de trânsito e amplitudes das reflexões primárias, com as quais a operação de empilhamento e suas propriedades podem ser entendidas geometricamente. Efeitos como o espalhamento geométrico devido à trajetória do raio levam a distorção das amplitudes. Estes efeitos têm que ser corregidos durante o processamento dos dados sísmicos. Baseados na integral de migração de Kirchhoff e na teoria paraxial dos raios, foi derivada a função peso e o operador da integral por empilhamento de difrações para um modelo sísmico 2,5-D, e aplicado a uma serie de dados sintéticos em ambientes com ruído e livre de ruído. O resultado mostra a precisão e estabilidade do método de migração em um meio 2,5-D como ferramenta para obter informação sobre as propriedades de refletividade da subsuperfície da terra. Neste método não são levados em consideração a existência de caústicas nem a atenuação devido a fricção interna.

The accuracy of Kirchhoff's approximation in describing the far field speckles produced by random self-affine fractal surfaces

Based on the rigorous formulation of integral equations for the propagations of light waves at the medium interface, we carry out the numerical solutions of the random light field scattered from self-affine fractal surface samples. The light intensities produced by the same surface samples are also calculated in Kirchhoff's approximation, and their comparisons with the corresponding rigorous results show directly the degree of the accuracy of the approximation. It is indicated that Kirchhoff's approximation is of good accuracy for random surfaces with small roughness value w and large roughness exponent alpha. For random surfaces with larger w and smaller alpha, the approximation results in considerable errors, and detailed calculations show that the inaccuracy comes from the simplification that the transmitted light field is proportional to the incident field and from the neglect of light field derivative at the interface.

BEM Formulations Based on Kirchhoff's Hypoyhesis to Perform Linear Bending Analysis of Plates Reinforced by Beams

In this work, are discussed two formulations of the boundary element method - BEM to perform linear bending analysis of plates reinforced by beams. Both formulations are based on the Kirchhoffs hypothesis and they are obtained from the reciprocity theorem applied to zoned plates, where each sub-region defines a beam or a stab. In the first model the problem values are defined along the interfaces and the external boundary. Then, in order to reduce the number of degrees of freedom kinematics hypothesis are assumed along the beam cross section, leading to a second formulation where the collocation points are defined along the beam skeleton, instead of being placed on interfaces. on these formulations no approximation of the generalized forces along the interface is required. Moreover, compatibility and equilibrium conditions along the interface are automatically imposed by the integral equation. Thus, these formulations require less approximation and the total number of the degrees of freedom is reduced. In the numerical examples are discussed the differences between these two BEM formulations, comparing as well the results to a well-known finite element code.

Exponential decay for Kirchhoff wave equation with nonlocal condition in a noncylindrical domain

In this paper, we prove the exponential decay as time goes to infinity of regular solutions of the problem for the Kirchhoff wave equation with nonlocal condition and weak dampingu(tt) - M (\\delU\\(2)(2)) Deltau + integral(0)(t) g(t - s)Deltau(.,s) ds + alphau(t) = 0, in (Q) over cap,where (Q) over cap is a noncylindrical domain of Rn+1 (n greater than or equal to 1) with the lateral boundary (&USigma;) over cap and alpha is a positive constant. (C) 2004 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Migração 3-D Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB) pré-empilhamento no domínio da profundidade

O Feixe Gaussiano (FG) é uma solução assintótica da equação da elastodinâmica na vizinhança paraxial de um raio central, a qual se aproxima melhor do campo de ondas do que a aproximação de ordem zero da Teoria do Raio. A regularidade do FG na descrição do campo de ondas, assim como a sua elevada precisão em algumas regiões singulares do meio de propagação, proporciona uma forte alternativa na solução de problemas de modelagem e imageamento sísmicos. Nesta Tese, apresenta-se um novo procedimento de migração sísmica pré-empilhamento em profundidade com amplitudes verdadeiras, que combina a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff e a robustez da migração baseada na utilização de Feixes Gaussianos para a representação do campo de ondas. O algoritmo de migração proposto é constituído por dois processos de empilhamento: o primeiro é o empilhamento de feixes (“beam stack”) aplicado a subconjuntos de dados sísmicos multiplicados por uma função peso definida de modo que o operador de empilhamento tenha a mesma forma da integral de superposição de Feixes Gaussianos; o segundo empilhamento corresponde à migração Kirchhoff tendo como entrada os dados resultantes do primeiro empilhamento. Pelo exposto justifica-se a denominação migração Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB). As principais características que diferenciam a migração KGB, durante a realização do primeiro empilhamento, de outros métodos de migração que também utilizam a teoria dos Feixes Gaussianos, são o uso da primeira zona de Fresnel projetada para limitar a largura do feixe e a utilização, no empilhamento do feixe, de uma aproximação de segunda ordem do tempo de trânsito de reflexão. Como exemplos são apresentadas aplicações a dados sintéticos para modelos bidimensionais (2-D) e tridimensionais (3-D), correspondentes aos modelos Marmousi e domo de sal da SEG/EAGE, respectivamente.

Migração Kirchhoff pré-empilhamento em profundidade modificada usando o operador de feixes gaussianos

A teoria dos feixes gaussianos foi introduzida na literatura sísmica no início dos anos 80 por pesquisadores russos e tchecos, e foi originalmente utilizada no cálculo do campo de ondas eletromagnéticas, baseado na teoria escalar da difração. Na teoria dos feixes gaussianos, o campo de ondas sísmicas é obtido por uma integral, cujo o integrando é constituído de duas partes, a saber: (1) as amplitudes dos campos das ondas na vizinhança do ponto de observação e (2) a função fase de cada um desses campos de ondas, que neste caso é representada por um tempo de trânsito paraxial complexo. Como ferramenta de imageamento, mais precisamente como operador de migração, os primeiros trabalhos usando feixes gaussianos datam do final da década de 80 e início dos anos 90. A regularidade dos campos de ondas descritos pelos feixes gaussianos, além de sua alta precisão em regiões singulares do modelo de velocidades, tornaram o uso de feixes gaussianos como uma alternativa híbrida viável para a migração. Nesse trabalho, unimos a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff em profundidade em verdadeira amplitude com a regularidade da descrição do campo de ondas, representado pela sobreposição de feixes gaussianos. Como forma de controlar de forma estável quantidades usadas na construção de feixes gaussianos, utilizamos informações advindas do volume de Fresnel, mais precisamente a zona de Fresnel ao redor do ponto de reflexão e a zona de Fresnel projetada, localizada ao redor do ponto de registro do sismograma e cuja a informação se encontra nas curvas de reflexão de dados sísmico. Nosso processo de migração pode ser chamado como uma migração Kirchhoff em verdadeira amplitude usando um operador de feixes gaussianos.

Migração pré-empilhamento Kirchhoff feixes gaussianos 2,5D nos domínios afastamento comum e ângulo-comum

O método de migração do tipo Kirchhoff se apresenta na literatura como uma das ferramentas mais importantes de todo o processamento sísmico, servindo de base para a resolução de outros problemas de imageamento, devido ao um menor custo computacional em relação aos métodos que tem por base a solução numérica da equação da onda. No caso da aplicação em três dimensões (3D), mesmo a migração do tipo Kirchhoff torna-se dispendiosa, no que se refere aos requisitos computacionais e até mesmo numéricos para sua efetiva aplicação. Desta maneira, no presente trabalho, objetivando produzir resultados com uma razão sinal/ruído maior e um menor esforço computacional, foi utilizado uma simplificação do meio denominado 2.5D, baseado nos fundamentos teóricos da propagação de feixes gaussianos. Assim, tendo como base o operador integral com feixes gaussianos desenvolvido por Ferreira e Cruz (2009), foi derivado um novo operador integral de superposição de campos paraxiais (feixes gaussianos), o mesmo foi inserido no núcleo do operador integral de migração Kirchhoff convencional em verdadeira amplitude, para a situação 2,5D, definindo desta maneira um novo operador de migração do tipo Kirchhoff para a classe pré-empilhamento em verdadeira amplitude 2.5D (KGB,do inglês Kirchhoff-Gausian-Beam). Posteriormente, tal operador foi particularizado para as configurações de medida afastamento comum (CO, do inglês common offset) e ângulo de reflexão comum (CA, do inglês common angle), ressaltando ainda, que na presente Tese foi também idealizada uma espécie de flexibilização do operador integral de superposição de feixes gaussianos, no que concerne a sua aplicação em mais de um domínio, quais sejam, afastamento comum e fonte comum. Nesta Tese são feitas aplicações de dados sintéticos originados a partir de um modelo anticlinal.

Análise do efeito da discretização do modelo de velocidades nas migrações Kirchhoff e Kirchhoff-Gaussian- Beam 2D pré-empilhamento em profundidade

O Feixe Gaussiano (FG) é uma solução assintótica da equação da elastodinâmica na vizinhança paraxial de um raio central, a qual se aproxima melhor do campo de ondas do que a aproximação de ordem zero da Teoria do Raio. A regularidade do FG na descrição do campo de ondas, assim como a sua elevada precisão em algumas regiões singulares do meio de propagação, proporciona uma forte alternativa no imageamento sísmicos. Nesta dissertação, apresenta-se um novo procedimento de migração sísmica pré-empilhamento em profundidade com amplitudes verdadeiras, que combina a flexibilidade da migração tipo Kirchhoff e a robustez da migração baseada na utilização de Feixes Gaussianos para a representação do campo de ondas. O algoritmo de migração proposto é constituído por dois processos de empilhamento: o primeiro é o empilhamento de feixes (“beam stack”) aplicado a subconjuntos de dados sísmicos multiplicados por uma função peso definida de modo que o operador de empilhamento tenha a mesma forma da integral de superposição de Feixes Gaussianos; o segundo empilhamento corresponde à migração Kirchhoff tendo como entrada os dados resultantes do primeiro empilhamento. Pelo exposto justifica-se a denominação migração Kirchhoff-Gaussian-Beam (KGB).Afim de comparar os métodos Kirchhoff e KGB com respeito à sensibilidade em relação ao comprimento da discretização, aplicamos no conjunto de dados conhecido como Marmousi 2-D quatro grids de velocidade, ou seja, 60m, 80m 100m e 150m. Como resultado, temos que ambos os métodos apresentam uma imagem muito melhor para o menor intervalo de discretização da malha de velocidade. O espectro de amplitude das seções migradas nos fornece o conteúdo de frequência espacial das seções das imagens obtidas.

On the KAM - Theory Conditions for the Kirchhoff Top

* Partially supported by Grant MM523/95 with Ministry of Science and Technologies.