Luận án TS: Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn
Nghiên cứu ranh giới hấp thụ tương hỗ theo thời gian. Phát triển phương pháp tối ưu mô phỏng số sóng, loại bỏ phản xạ biên, nâng cao độ chính xác.
the University of Texas at Austin
Engineering Mechanics
Luan An
Dissertation
Năm xuất bản
Số trang
237
Thời gian đọc
36 phút
Lượt xem
0
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
50 Point
Mục lục chi tiết
Tóm tắt nội dung
I. Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian trong truyền sóng
Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian (RABC) là một công cụ quan trọng trong phân tích sóng. RABC cho phép mô phỏng sự hấp thụ sóng trong các phương pháp số, đặc biệt trong các miền không giới hạn. Tài liệu này trình bày cách thức phát triển và ứng dụng RABC trong các bài toán sóng phức tạp.
1.1. Tổng quan về RABC
RABC cung cấp một cách tiếp cận mới cho việc xử lý sóng trong miền thời gian. Công nghệ này giúp cải thiện độ chính xác và hiệu suất tính toán trong các bài toán sóng.
1.2. Vai trò của biên hấp thụ
Biên hấp thụ đóng vai trò quan trọng trong việc mô phỏng các hiện tượng sóng trong miền không giới hạn. Chúng giúp giảm thiểu phản xạ không mong muốn từ các biên.
1.3. Các loại biên hấp thụ
Có hai loại biên hấp thụ chính: toàn cục và cục bộ. Mỗi loại có những ưu điểm và hạn chế riêng, phù hợp với các bài toán khác nhau.
II. Nguyên lý hoạt động của RABC trong sóng điện từ
RABC dựa trên các định lý đối xứng để tối ưu hóa quá trình hấp thụ sóng. Điều này cho phép phát triển các mô hình chính xác hơn cho sóng điện từ trong các môi trường phức tạp.
2.1. Các định lý đối xứng
Định lý đối xứng là cơ sở lý thuyết cho RABC. Chúng giúp xác định cách thức sóng tương tác với biên và môi trường bên ngoài.
2.2. Xây dựng mô hình RABC
Mô hình RABC được xây dựng dựa trên các thông số vật lý của sóng và cấu trúc môi trường. Điều này đảm bảo tính chính xác trong các tính toán.
2.3. Ứng dụng trong mô phỏng sóng
RABC đã được áp dụng thành công trong nhiều lĩnh vực như kỹ thuật cơ khí và vật lý môi trường. Các mô phỏng cho thấy khả năng hấp thụ sóng hiệu quả.
III. Ứng dụng RABC trong phân tích sóng acoustic
RABC không chỉ áp dụng cho sóng điện từ mà còn cho sóng acoustic. Nghiên cứu cho thấy RABC có thể cải thiện độ chính xác trong các mô hình sóng acoustic.
3.1. Sóng acoustic và RABC
Sóng acoustic có những tính chất riêng biệt cần được xem xét khi áp dụng RABC. Phương pháp này giúp tạo ra các mô hình gần đúng hơn cho sóng acoustic.
3.2. Phân tích sóng trong môi trường lớp
Phân tích sóng trong các lớp khác nhau bằng RABC cho phép hiểu rõ hơn về sự lan truyền và hấp thụ sóng trong môi trường phức tạp.
3.3. Kết quả và thảo luận
Các kết quả từ mô phỏng cho thấy RABC cải thiện đáng kể hiệu suất tính toán và độ chính xác của các mô hình sóng acoustic.
IV. So sánh RABC với các phương pháp khác
So sánh RABC với các phương pháp biên hấp thụ khác cho thấy RABC mang lại nhiều lợi ích về mặt hiệu suất và độ chính xác. Nghiên cứu này chỉ ra sự vượt trội của RABC trong nhiều tình huống.
4.1. Phương pháp biên hấp thụ truyền thống
Phương pháp biên hấp thụ truyền thống có nhiều hạn chế khi xử lý sóng trong miền không giới hạn. RABC khắc phục những hạn chế này.
4.2. Ưu điểm của RABC
RABC cung cấp giải pháp linh hoạt hơn cho các bài toán sóng phức tạp. Nó giúp giảm thiểu phản xạ và tăng độ chính xác tính toán.
4.3. Thách thức trong ứng dụng
Dù có nhiều ưu điểm, RABC cũng gặp phải một số thách thức trong việc áp dụng rộng rãi. Cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa quy trình.
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (237 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộCopyright by Cuong Tan Nguyen 2017 The Dissertation Committee for Cuong Tan Nguyen certifies that this is the approved version of the following dissertation: Time-domain Reciprocal Absorbing Boundaries Committee: John L. Tassoulas, Supervisor Lance Manuel Mark E. Mear Krishnaswamy Ravi-Chandar Spyros A. Kinnas Time-domain Reciprocal Absorbing Boundaries by Cuong Tan Nguyen, DISSERTATION Presented to the Faculty of the Graduate School of The University of Texas at Austin in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of DOCTOR OF PHILOSOPHY THE UNIVERSITY OF TEXAS AT AUSTIN December 2017 Dedicated to our parents, my beloved wife Na Huynh and son Austin Nguyen.
Acknowledgments First of all, I would like to express my sincere gratitude and deep appre- ciation to my doctoral advisor, Professor John L. Tassoulas, for his innovative ideas on this research, for his great source of knowledge, inspiration and en- couragement. I am thankful to Professors Lance Manuel, Mark E. Ravi- Chandar, Spyros A.
Kinnas for serving on my doctoral committee, for their valuable suggestions and for their inspiring courses. I wish to thank my friends at MUSE Lab, Heedong Goh, Babak Poursartip, Arash Fathi, Seungbum Koo, Ying-Chuan Chen, Nan-You Lu and Sedef Kocakaplan. They are definitely a part of my memorable time at UT Austin. I would also like to thank CAEE staffs, Leslie McCroddan and Velma Vela for their great supports.
I thank the Vietnam Education Foundation for granting a Fellowship during my first two years at UT Austin. Futhermore, I thank the Cockrell School of Engineering for giving me the chance to serve as the teaching assis- tant of several classes related to Computer methods and Mechanics. Most of all, I would like to thank my parents, parents-in-law and ex- press my deep appreciation to my beloved wife Na Huynh and son Austin Nguyen. Without their endless love, supports, encouragement and sympathy, this Dissertation would not have been possible.
v Time-domain Reciprocal Absorbing Boundaries Publication No. Cuong Tan Nguyen, Ph. The University of Texas at Austin, 2017 Supervisor: John L. Tassoulas Accurate and efficient computational treatments of wave propagation in unbounded media rely on special absorbing boundaries.
In most of the problems, the region of interest is only a small part, the “near field”, of an extensive, arguably, infinite domain. On the boundary of the near field, ab- sorbing boundaries are introduced in order to mimic the absorption of waves into the exterior domain. They represent to various degrees of approximation the “far field” as viewed from the near field which normally contains irregu- larities and nonlinearities. In general, absorbing boundaries for the time-domain analysis of wave propagation in unbounded media can be classified into two categories, global and local ones.
The aim of this disseration is to develop novel “global” absorb- ing boundaries by means of reciprocity theorems. The study deals with elasto- dynamics in anti-plane shear and plane strain, acoustic waves in waveguides. The domains under consideration include layered strata, layered half-spaces and the full-space. vi Table of Contents Acknowledgments v Abstract vi List of Tables xiii List of Figures xiv Chapter 1.
Reciprocal absorbing boundary condition for the time-domain numerical analysis of wave motion in unbounded layered media 5 2.2 Notation and definitions .3 Time-domain reciprocity theorems for elastodynamics .4 Derivation of reciprocal absorbing boundary condition .2 Time-stepping algorithm .4 Reciprocal absorbing boundary condition (RABC) .1 Semi-infinite beam on simple supports .2 Semi-infinite beam on flexible supports .3 Semi-infinite rod .4 Stratum in plane strain .5 Stratum in antiplane shear .1 Semi-infinite beam on simple supports .2 Semi-infinite beam on flexible supports .3 Semi-infinite rod .4 Semi-infinite layer in anti-plane shear .5 Semi-infinite layer in plane strain .6 Stratum under Ricker wavelet load .3 Rectangular element in antiplane shear and plane strain 47 2.4 Matrices for the consistent transimitting boundary .1 Anti-plane shear. Application of reciprocal absorbing boundary con- dition to transient analysis of acoustic wave propa- gation 58 3.2 Reciprocity theorems for acoustics .1 The linear wave equation for velocity potential .2 Acoustic reciprocity theorems .1 Reciprocity in the frequency domain .2 Reciprocity in the time domain .3 Reciprocal absorbing boundary condition .1 Finite elements for acoustic wave propagation .1 The semi-discrete form .2 Time-stepping algorithm .2 Derivation of reciprocal absorbing boundary condition .1 The original semi-infinite problem .3 The construction of reciprocal absorbing bound- ary condition .1 One-dimensional problem .2 Two-dimensional problem. Reciprocal absorbing boundary condition with perfectly matched discrete layers for SH waves in a layered half-space 91 4.2 Reciprocal absorbing boundary condition .2 Derivation of reciprocal absorbing boundary condition .2 Time-stepping algorithm .4 Reciprocal absorbing boundary condition .3 Perfectly Matched Discrete Layers .1 Finite element discretization .4 Reciprocal absorbing boundary condition with perfectly matched discrete layers .1 A two-layer stratum truncated by RABC .2 A homogeneous layer truncated by PMDLs .3 A homogeneous half-space truncated by RABC and PMDLs113 4.4 A layered half-space truncated by RABC & PMDLs. Reciprocal absorbing boundary condition with perfectly matched discrete layers for SV-P waves in a layered half-space 122 5.2 Reciprocal absorbing boundary condition for a stratum .1 Derivation on the basis of the displacement-based reciprocity theorem .2 Derivation based on the dynamic stiffness matrix 130 5.3 Derivation based on the acceleration unit-impulse response matrix .2 Convolution quadrature and time-stepping scheme .3 The construction of reciprocal absorbing boundary con- dition (RABC) .4 Computing initial values .3 Perfectly matched discrete layers for SV-P waves .1 Finite element discretization .4 Reciprocal absorbing boundary condition with perfectly matched discrete layers .1 RABC for a two-layer stratum .3 A homogeneous half-space .4 A layered half-space.
Transient analysis of full-space unbounded domains by reciprocal absorbing boundaries 172 6.2 Reciprocal absorbing boundary condition (RABC) .1 Acceleration based reciprocity theorem .2 The construction of Reciprocal Absorbing Boundary Con- dition .3 Perfectly matched discrete layers (PMDLs) .1 Semidiscrete equation of motion .1 Anti-plane shear: .4 Reciprocal absorbing boundary condition with perfectly matched discrete layers .2 Steady-state phase for harmonic forces: .2 Steady-state phase for harmonic forces: .2 Steady-state phase for harmonic forces: .2 Steady-state phase for harmonic forces:. 208 Bibliography 209 xi Vita 218 xii List of Tables 2.1 Parameters for time and space discretization.1 Material properties of the layered half-space.1 Parameters of the stratum.1 Vertical response: Relative error in L2 norm at sample points between RABCs-PMDLs and extended mesh solution.2 Radial response: Relative error in L2 norm at sample points between RABCs-PMDLs and extended-mesh solution.3 Torsional response: Relative error in L2 norm at sample points between RABCs-PMDLs and extended mesh solution.4 Horizontal response: Relative error in L2 norm at sample points between RABC-PMDLs and extended mesh solution. 200 xiii List of Figures 2.1 A soil-structure system.2 Reciprocal absorbing boundary condition.3 Two regions to which the reciprocity theorem is applied.4 Semi-infinite beam on simple supports.5 Semi-infinite beam on flexible supports.6 Semi-infinite rod.7 Convergence test for a semi-infinite beam on simple supports (left) and a semi-infinite rod (right) subjected to a step force.8 Stability test for a semi-infinite beam on simple supports sub- jected to a step force at node 1.9 Transient response of a semi-infinite beam on simple supports subjected to a step force at node 1.10 Profiles of symmetrical triangular pulse, Ricker wavelet, or rect- angular pulse forces at node 1.11 Transient response of a semi-infinite beam on simple supports subjected to a symmetrical triangular pulse force at at node 1.12 Transient response of a semi-infinite beam on simple supports subjected to a Ricker wavelet force at node 1.13 Transient response of a semi-infinite beam on simple supports subjected to a rectangular pulse force at node 1.14 Transient response of a semi-infinite beam on flexible supports subjected to a step force at node 1.15 Transient response of a semi-infinite beam on flexible supports subjected to a step moment at node 1.16 Response of a semi-infinite rod subjected to an axially step force at node 1.17 Response of a semi-infinite rod subjected to an axially step force at node 1.18 A homogeneous layer in antiplane shear.19 Displacement at nodes 1 and 2 due to force at node 1.20 Displacement at nodes 1 and 2 due to force at node 2.21 A homogeneous layer in plane strain.22 Displacement in x and y directions due to a horizontal force.23 Displacement in x and y directions due to a vertical force.24 Stratum under a Ricker wavelet load.25 Stratum under a Ricker wavelet load: the computational do- main and the extended mesh.26 Transient response of a stratum under a Ricker wavelet load (ν = 0.33), due to Pu (top) and Pv (bottom).27 Transient response of a stratum under a Ricker wavelet load (ν = 0.4), due to Pu (top) and Pv (bottom).28 Transient response of a stratum under a Ricker wavelet load (ν = 0.45), due to Pu (top) and Pv (bottom).1 A semi-infinite waveguide: (a) the origional semi-infinite prob- lem, (b) the sketch of problem with truncated domain.2 The construction of RABC: (a) the column of elements in RABC, (b) state I: the domain starts from the interior boundary Γ0I , (c) state E: the domain starts from the exterior boundary Γ0E .3 The profile of Ricker wavelet source at x = 0.4 Responses at node 1 (Γ0I ): x1 = 0 and node 2 (Γ0E ): x2 = l for two source cases: (left) Heaviside step source and (right) Ricker wavelet source.5 Convergence test for one-dimensional problem when the normal source f (t) is a Heaviside step function.6 Stability test for one-dimensional problem when the normal source f (t) is a Heaviside step function.7 A circular cavity embedded in an infinite channel.8 Finite element mesh for the channel problem.9 Transient response of point A.10 Transient response of point B.11 Transient response of point C.12 Wave front taken at t = 5 s.13 Wave front taken at t = 9 s.14 Wave front taken at t = 15 s.15 Wave front taken at t = 19 s.16 Wave front taken at t = 24 s.17 Wave front taken at t = 30 s.18 Wave front taken at t = 40 s.19 Wave front taken at t = 50 s.20 Wave fronts taken at t = 5 s and t = 9 s.21 Wave fronts taken at t = 15 s and t = 24 s.22 Wave fronts taken at t = 30 s and t = 40 s.1 Reciprocal absorbing boundary condition.2 Splitting the half-space into a layer and the lower half-space.3 RABC with PMDLs.4 A two-layer stratum.5 Transient response of the two-layer stratum subjected to a step force at node 1.6 Transient response of the two-layer stratum subjected to a step force at node 2.7 A homogeneous layer truncated by PMDLs.8 The profile of Ricker wavelet force at point A.9 The transient response of points A & B.10 The transient response of points C & D.11 Snapshots of wave front at t = 1.12 Snapshots of wave front at t = 2.13 Snapshots of wave front at t = 3.14 Snapshots of wave front at t = 4.15 RABC with PMDLs for a homogeneous half-space.16 Snapshots of wave front at t = 1.17 Snapshots of wave front at t = 2.18 Snapshots of wave front at t = 3.19 Snapshots of wave front at t = 4.20 RABC with PMDLs for a layered half-space.21 Snapshots of wave front at t = 2.22 Snapshots of wave front at t = 3.23 Snapshots of wave front at t = 4.1 Reciprocal absorbing boundary condition, ΓI = Γ0I ∪ ΓN I ∪ ΓI ∪ D 0 N ∞ D ΓI , ΓE = ΓE ∪ ΓE ∪ ΓE ∪ ΓE .3 Splitting the half-space into a layer and the lower half-space.4 Stretching PMDL elements: (a) regular element, (b) PMDLx edge element, (c) PMDLz edge element, (d) PMDLxz corner element.5 Sketch of Gaussian points for regular and PMDL elements in the problem of a half-space.6 RABC with PMDLs.7 A two-layer stratum.8 Transient responses of node 1 (left) and node 2 (right).9 Convergence test for the two-layer stratum under Heaviside step-force H(t).11 The profile of Ricker wavelet force.
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" nghiên cứu về vấn đề gì?
Nghiên cứu ranh giới hấp thụ tương hỗ theo thời gian. Phát triển phương pháp tối ưu mô phỏng số sóng, loại bỏ phản xạ biên, nâng cao độ chính xác.
Luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại the University of Texas at Austin. Năm bảo vệ: 2017.
Luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" thuộc chuyên ngành Engineering Mechanics. Danh mục: Kỹ Thuật Viễn Thông.
Luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" có bao nhiêu trang?
Luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" có 237 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Biên hấp thụ đối ứng miền thời gian cho truyền sóng không giới hạn" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.