写一个有限差分法模拟三维地震波的python代码

时间: 2023-10-09 12:04:14 浏览: 29
以下是一个简单的有限差分法模拟三维地震波的Python代码,其中采用了PML吸收边界条件。 ```python import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt # Parameters nx = 101 # Number of grid points in x-direction ny = 101 # Number of grid points in y-direction nz = 101 # Number of grid points in z-direction dx = 10 # Grid spacing in x-direction (m) dy = 10 # Grid spacing in y-direction (m) dz = 10 # Grid spacing in z-direction (m) dt = 0.001 # Time step (s) nt = 500 # Number of time steps fc = 20 # Centre frequency of the source (Hz) src = np.zeros((nt,)) # Source time function src[np.arange(1, nt+1) * dt * fc * 2 * np.pi <= np.pi] = np.sin(np.arange(1, nt+1) * dt * fc * 2 * np.pi / np.pi / 2) ** 2 # Ricker wavelet pml_width = 20 # Width of PML layer (grid points) pml_alpha_max = 0.01 # Maximum PML absorption coefficient rho = 2700 # Density of medium (kg/m^3) vp = 6000 # P-wave velocity of medium (m/s) vs = 3464 # S-wave velocity of medium (m/s) mu = vs ** 2 * rho # Shear modulus of medium (Pa) # Grid x = np.arange(0, nx * dx, dx) y = np.arange(0, ny * dy, dy) z = np.arange(0, nz * dz, dz) X, Y, Z = np.meshgrid(x, y, z, indexing='ij') dx2 = dx ** 2 dy2 = dy ** 2 dz2 = dz ** 2 dt2 = dt ** 2 # PML coefficients pml_x = np.zeros((nx,)) pml_y = np.zeros((ny,)) pml_z = np.zeros((nz,)) for i in range(pml_width): pml_x[i] = pml_alpha_max * ((pml_width - i) / pml_width) ** 2 pml_x[-i-1] = pml_alpha_max * ((pml_width - i) / pml_width) ** 2 pml_y[i] = pml_alpha_max * ((pml_width - i) / pml_width) ** 2 pml_y[-i-1] = pml_alpha_max * ((pml_width - i) / pml_width) ** 2 pml_z[i] = pml_alpha_max * ((pml_width - i) / pml_width) ** 2 pml_z[-i-1] = pml_alpha_max * ((pml_width - i) / pml_width) ** 2 # Coefficients for finite difference scheme c1 = (dt ** 2) / (dx2 * rho) c2 = (dt ** 2) / (dy2 * rho) c3 = (dt ** 2) / (dz2 * rho) c4 = (dt ** 2) / (dx * dy * mu) c5 = (dt ** 2) / (dy * dz * mu) c6 = (dt ** 2) / (dx * dz * mu) # Initial conditions p = np.zeros((nx, ny, nz)) vx = np.zeros((nx, ny, nz)) vy = np.zeros((nx, ny, nz)) vz = np.zeros((nx, ny, nz)) # Main loop for n in range(1, nt): # Update p p[1:-1, 1:-1, 1:-1] += c1 * (vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vx[:-2, 1:-1, 1:-1] + vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vy[1:-1, :-2, 1:-1] + vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vz[1:-1, 1:-1, :-2]) p[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c4 * (vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vx[:-2, 1:-1, 1:-1]) p[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c5 * (vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vy[1:-1, :-2, 1:-1]) p[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c6 * (vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vz[1:-1, 1:-1, :-2]) p[1:-1, 1:-1, 1:-1] *= (2 - pml_x[1:-1, np.newaxis, np.newaxis] - pml_y[np.newaxis, 1:-1, np.newaxis] - pml_z[np.newaxis, np.newaxis, 1:-1]) p[0, :, :] = 0 p[:, 0, :] = 0 p[:, :, 0] = 0 p[-1, :, :] = 0 p[:, -1, :] = 0 p[:, :, -1] = 0 # Update vx vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] += c4 * (p[1:-1, 1:-1, 1:-1] - p[:-2, 1:-1, 1:-1]) vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c2 * (vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vy[1:-1, :-2, 1:-1]) vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c3 * (vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vz[1:-1, 1:-1, :-2]) vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] *= (2 - pml_x[1:-1, np.newaxis, np.newaxis] - pml_y[np.newaxis, 1:-1, np.newaxis] - pml_z[np.newaxis, np.newaxis, 1:-1]) vx[0, :, :] = 0 vx[:, 0, :] = 0 vx[:, :, 0] = 0 vx[-1, :, :] = 0 vx[:, -1, :] = 0 vx[:, :, -1] = 0 # Update vy vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] += c4 * (p[1:-1, 1:-1, 1:-1] - p[1:-1, :-2, 1:-1]) vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c1 * (vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vx[:-2, 1:-1, 1:-1]) vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c3 * (vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vz[1:-1, 1:-1, :-2]) vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] *= (2 - pml_x[1:-1, np.newaxis, np.newaxis] - pml_y[np.newaxis, 1:-1, np.newaxis] - pml_z[np.newaxis, np.newaxis, 1:-1]) vy[0, :, :] = 0 vy[:, 0, :] = 0 vy[:, :, 0] = 0 vy[-1, :, :] = 0 vy[:, -1, :] = 0 vy[:, :, -1] = 0 # Update vz vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] += c4 * (p[1:-1, 1:-1, 1:-1] - p[1:-1, 1:-1, :-2]) vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c2 * (vy[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vy[1:-1, :-2, 1:-1]) vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] -= c1 * (vx[1:-1, 1:-1, 1:-1] - vx[:-2, 1:-1, 1:-1]) vz[1:-1, 1:-1, 1:-1] *= (2 - pml_x[1:-1, np.newaxis, np.newaxis] - pml_y[np.newaxis, 1:-1, np.newaxis] - pml_z[np.newaxis, np.newaxis, 1:-1]) vz[0, :, :] = 0 vz[:, 0, :] = 0 vz[:, :, 0] = 0 vz[-1, :, :] = 0 vz[:, -1, :] = 0 vz[:, :, -1] = 0 # Add source p[50, 50, 50] += src[n] # Visualize wavefield if n % 10 == 0: plt.clf() plt.imshow(p[:, :, 50], cmap='seismic', vmin=-0.5e-5, vmax=0.5e-5) plt.colorbar() plt.title('Time step: %d' % n) plt.pause(0.01) ``` 请注意,此代码仅适用于学术用途,可能需要根据实际应用进行修改和优化。

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