基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法技术

本发明专利技术提供一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法。所述方法包括：根据待模拟区域的结构特征，建立所述待模拟区域的数学模型；建立基于单松弛时间格子玻尔兹曼方程的离散模型，并根据所述离散模型中的物理参数构建各个声波波场参数的迭代计算格式；对所述离散模型中各个预设方向的波场参数赋初值，定义震源函数，并制定波阻抗界面处理方法、流

【技术实现步骤摘要】
基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法


[0001]本专利技术涉及地球物理勘探
，特别涉及一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的 粘滞声波模拟方法。

技术介绍

[0002]声波波数值模拟，是根据已知的传播介质的几何结构和相应的物理参数，计算波场在各 种介质中的传播规律，并计算得到在各观测点所观测到的波场参数数值。声波波场数值模拟， 不仅是地质结构复杂地区的声波测井与地震勘探资料采集、处理和解释的有效辅助手段，也 是地球物理反演和成像的基础。
[0003]现有技术中，常用的声波波场数值模拟方法，比如有限差分方法(FDM)、有限元法等， 是基于波动方程描述波动现象在介质中的传播情况，通过求解波动方程，得到声波波场参数 数值。在求解波动方程的过程中，通常需要将波动方程离散化为代数方程进行求解。但是， 利用上述方法计算波场参数数值时，往往会受到波动方程本身的连续性假设条件的限制，而 波动方程的这些假设条件与实际情况往往存在一定偏差。这样就会导致模拟得到的波场与真 实波场存在较大偏差，进而导致求得的波场参数的数值与真实值之间存在较大的误差。
[0004]现有技术中至少存在如下问题：计算波场参数数值时，往往会受到波动方程本身一些连 续性假设条件的限制。由于波动方程的假设条件与实际情况存在偏差，会导致模拟得到的波 场与真实波场存在较大偏差，使求得的波场参数数值与真实值之间存在较大的误差，并进一 步导致地球物理反演所得地质模型/结构的精度不够高，这限制了其在实际生产中的应用。

技术实现思路
/>[0005]为了解决现有技术存在的问题，本专利技术引入格子玻尔兹曼方法(LBM)，并在此基础上 开发出一套新颖的粘滞声波波场数值模拟方法。格子玻尔兹曼方法是一种以当代统计物理学 为理论基础的数值模拟方法，它是一种求解纳维
‑
斯托克斯方程的简化数值模拟方法。通过追 踪介质微观尺度上大量离散粒子的相互作用，实现模拟宏观层面上的复杂物理现象。该方法 稳定性好、计算精度高、物理意义明确、不用考虑非线性项、算法简单易实现且扩展迁移性 强、具备天然的并行特性以及内部边界条件处理灵活等优势，因此，其在计算流体力学、气 动声学、热力学、电磁学等领域都有了一定的发展及应用。
[0006]具体的，本专利技术提供了一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法，包 括：S1根据待模拟区域的结构特征，建立所述待模拟区域的数学模型；S2建立基于单松弛 时间格子玻尔兹曼方程的离散模型，并根据所述离散模型中的物理参数构建各个声波波场参 数的迭代计算格式；S3对所述离散模型中各个预设方向的波场参数赋初值，定义震源函数， 并制定波阻抗界面处理方法、流
‑
固边界条件以及计算区域外部边界条件；S4根据所述迭代 计算格式，利用单松弛时间格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设采样时
刻的声波波场 参数的数值。
[0007]优选的，所述数学模型可以包括待模拟区域介质的声波速度模型、密度模型、品质因子 模型等物理参数模型。
[0008]优选的，离散模型为DdQq模型，所述DdQq模型表示d维空间q个离散速度的离散格子玻 尔兹曼模型。
[0009]优选的，单松弛时间格子玻尔兹曼方程为：
[0010][0011]式中，f
i
(x,t)表示x位置、t时刻、i方向的粒子数密度；f
i(eq)
(x,t)表示x位置、t时刻、 i方向的平衡态粒子数密度；τ表示松弛时间；c
i
表示i方向的离散速度。
[0012]优选的，所述震源函数包括Ricker子波函数。
[0013]本专利技术提供的模拟方法通过求解离散格子玻尔兹曼方程来模拟波场传播过程，避免了波 动方程对波场模拟的限制，可以提高复杂介质中传播的声波波场参数的计算精度；同时，采 用本专利技术提供的新方法，不需要知道介质的品质因子，只需要已知流体介质的运动粘度，即 可模拟流体介质中粘滞声波的传播过程；此外，利用本专利技术公布的LBM方法，不仅能够准确 地模拟均匀介质中的粘滞声波波场传播现象，而且针对水平/倾斜层状介质、修改的Marmousi 模型等不规则/复杂介质模型，也可以获得高精度的多分量的波场模拟结果，这极大地扩展了 LBM系列数值模拟方法在地震波正演及相关领域的应用范围。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术 描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记 载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根 据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1是本专利技术一个实施例提供的一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟 方法的方法流程图。
[0016]图2是本专利技术一个实施例提供的一种D2Q9模型的离散速度示意图。
[0017]图3是本专利技术一个实施例提供的一种倾斜层状介质模型几何结构及物理参数示意图。
[0018]图4是本专利技术一个实施例提供的一种基于倾斜层状介质模型模拟得到的LBM与FDM的波 场快照对比图。
[0019]图5是本专利技术一个实施例提供的一种基于倾斜层状介质模型模拟得到的LBM与FDM的波 剖面对比图。
[0020]图6是本专利技术一个实施例提供的一种修改的Marmousi速度模型。
[0021]图7是本专利技术一个实施例提供的一种基于修改的Marmousi模型模拟得到的LBM与FDM 的波场快照对比图。
具体实施方式
[0022]本专利技术实施例提供一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法。
[0023]为了使本
的人员更好地理解本专利技术中的技术方案，下面将结合本专利技术实施例中 的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅 是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人 员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。
[0024]图1是本专利技术所述一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法一种实施 例的方法流程图。虽然本专利技术提供了如下述实施例或附图所示的方法操作步骤或装置结构， 但基于常规或者无需创造性的劳动在所述方法或装置中可以包括更多或者更少的操作步骤 或模块单元。在逻辑性上不存在必要因果关系的步骤或结构中，这些步骤的执行顺序或装置 的模块结构不限于本专利技术实施例或附图所示的执行顺序或模块结构。所述的方法或模块结构 的在实际中的装置或终端产品应用时，可以按照实施例或者附图所示的方法或模块结构进行 顺序执行或者并行执行(例如并行处理器或者多线程处理的环境、甚至包括分布式处理的实 施环境)。
[0025]本专利技术的思路是用介观动态模拟方法在介观层面上追踪粒子集合的运动状态，达到在宏 观层面上模拟复杂物理现象的目的。当理想流体中具有微小扰动时，会本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于单松弛时间格子玻尔兹曼模型的粘滞声波模拟方法，其特征在于，所述方法包括：S1根据待模拟区域的结构特征，建立所述待模拟区域的数学模型；S2建立基于单松弛时间格子玻尔兹曼方程的离散模型，并根据所述离散模型中的物理参数构建各个声波波场参数的迭代计算格式；S3对所述离散模型中各个预设方向的波场参数赋初值，定义震源函数，并制定波阻抗界面处理方法、流
‑
固边界条件以及计算区域外部边界条件；S4根据所述迭代计算格式，利用单松弛时间格子玻尔兹曼方程，迭代更新计算得到预设采样时刻的声波波场参数的数值。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述数学模型可以包括待模拟区域介质的...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏木明，周辉，姜春涛，唐瑾璇，王灿云，杨长春，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：