【摘 要】
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六面体网格适用于谱元法,且在计算精度及存储空间等方面相对于其他体网格具有显著优势,利用规则六面体单元对起伏界面地形进行网格剖分时,在界面起伏较大处因单元无法贴合界面而常常选择用阶梯状网格近似描绘起伏界面,而这种阶梯状网格在数值模拟时通常会产生散射。为消除阶梯状网格对起伏界面地震动模拟计算的影响,本文旨在寻找一种适合谱元法的六面体单元网格剖分方式,使得:网格尽可能保持均匀且剖分尽可能贴合起伏界面。本
【基金项目】
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国家重点研发计划课题(2017YFC1500205); 震源物理重点实验室;
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六面体网格适用于谱元法,且在计算精度及存储空间等方面相对于其他体网格具有显著优势,利用规则六面体单元对起伏界面地形进行网格剖分时,在界面起伏较大处因单元无法贴合界面而常常选择用阶梯状网格近似描绘起伏界面,而这种阶梯状网格在数值模拟时通常会产生散射。为消除阶梯状网格对起伏界面地震动模拟计算的影响,本文旨在寻找一种适合谱元法的六面体单元网格剖分方式,使得:网格尽可能保持均匀且剖分尽可能贴合起伏界面。本文基于True Grid语言编写应用程序,提出了起伏界面处六面体单元网格剖分方法,通过该程序可快速建立起伏界面处均匀的六面体网格模型并对网格模型进行扭曲度、正交性等质量评价,通过谱元法验证其模型的正确性。论文的主要工作如下:1.本文对含起伏界面的研究区域进行六面体单元网格剖分,在固有的台阶状网格处使用六面体单元二合一的方式,将深度方向上(z轴)的不同个数的单元进行过渡衔接。模型消除了台阶状网格,将台阶状网格变为了斜面网格,并将斜面投影至起伏界面使网格完全贴合起伏界面。2.由于三维模型在x-z、y-z两个深度方向上均有台阶状网格,在两方向衔接处即四个拐角处,由于叠加了两次单元二合一处理,使得拐角处的单元发生扭曲畸变。因此本文采取了三种剖分方法对比解决,方法一删除拐角处四列单元,采用16个单元合并为12个单元的方法;方法二删除拐角处一纵列扭曲单元,采用4个单元合并为3个单元的方法。第三种方法是构造为单独的过渡环。3.对三种剖分方式生成的整体网格进行质量评价,主要指标有单元扭曲度及正交性等,评价结果发现网格质量良好,基本为正交的六面体单元。4.将三种模型通过谱元法进行数值模拟计算验证了三种剖分方法的正确性,当计算点位于自上而下的拐角处单元时,对比结果发现剖分方式一会引起波形散射,而剖分方式二与三均为规则波型;当计算点位于距拐角处不同距离的水平地表单元时,距离拐角大于900m时,三种剖分方式模拟出的结果较为一致;在300-900m时,剖分方式一与剖分方式二、三存在较小差异;在小于300m时,剖分方式一与剖分方式二、三存在较大差异,剖分方式二与三始终相差较小。结论是采用删除拐角处一纵列单元方式与设置过渡环的方式均可使用,删除四列拐角单元方式不推荐使用。本文提出的适用于谱元法的六面体单元网格剖分方案使得单元均匀且网格完全贴合起伏界面,改善了以往用台阶状网格近似描绘起伏界面的问题,消除了台阶状网格在数值模拟时存在的散射绕射问题。单元大小尽可能均匀,避免了网格大小差异而导致计算时发散;网格尽可能贴合起伏界面,提高了数值模拟的精度。有助于提高谱元法处理起伏界面问题的灵活性。
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