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Analytic Solution to the Piecewise Linear Interface Construction Problem and Its Application in Curvature Calculation for Volume-of-Fluid Simulation Codes

Titelangaben

Lehmann, Moritz ; Gekle, Stephan:
Analytic Solution to the Piecewise Linear Interface Construction Problem and Its Application in Curvature Calculation for Volume-of-Fluid Simulation Codes.
In: Computation. Bd. 10 (2022) Heft 2 . - 21.
ISSN 2079-3197
DOI: https://doi.org/10.3390/computation10020021

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Angaben zu Projekten

Projekttitel:
Offizieller Projekttitel
Projekt-ID
SFB 1357 Mikroplastik
391977956
Open Access Publizieren
491183248

Projektfinanzierung: Andere
Universität Bayreuth

Abstract

The plane–cube intersection problem has been discussed in the literature since 1984 and iterative solutions to it have been used as part of piecewise linear interface construction (PLIC) in computational fluid dynamics simulation codes ever since. In many cases, PLIC is the bottleneck of these simulations regarding computing time, so a faster analytic solution to the plane–cube intersection would greatly reduce the computing time for such simulations. We derive an analytic solution for all intersection cases and compare it to the previous solution from Scardovelli and Zaleski (Scardovelli, R.; Zaleski, S. Analytical relations connecting linear interfaces and volume fractions in rectangular grids. J. Comput. Phys. 2000, 164, 228–237), which we further improve to include edge cases and micro-optimize to reduce arithmetic operations and branching. We then extend our comparison regarding computing time and accuracy to include two different iterative solutions as well. We find that the best choice depends on the employed hardware platform: on the CPU, Newton–Raphson is fastest with compiler optimization enabled, while analytic solutions perform better than iterative solutions without. On the GPU, the fastest method is our optimized version of the analytic SZ solution. We finally provide details on one of the applications of PLIC—curvature calculation for the Volume-of-Fluid model used for free surface fluid simulations in combination with the lattice Boltzmann method.

Weitere Angaben

Publikationsform: Artikel in einer Zeitschrift
Begutachteter Beitrag: Ja
Keywords: PLIC; plane–cube intersection; curvature; Volume-of-Fluid; lattice Boltzmann method; GPU
Institutionen der Universität: Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut > Professur Theoretische Physik VI - Simulation und Modellierung von Biofluiden > Professur Theoretische Physik VI - Simulation und Modellierung von Biofluiden - Univ.-Prof. Dr. Stephan Gekle
Forschungseinrichtungen > Sonderforschungsbereiche, Forschergruppen > SFB 1357 - MIKROPLASTIK
Fakultäten
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut
Fakultäten > Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik > Physikalisches Institut > Professur Theoretische Physik VI - Simulation und Modellierung von Biofluiden
Forschungseinrichtungen
Forschungseinrichtungen > Sonderforschungsbereiche, Forschergruppen
Titel an der UBT entstanden: Ja
Themengebiete aus DDC: 000 Informatik,Informationswissenschaft, allgemeine Werke
000 Informatik,Informationswissenschaft, allgemeine Werke > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Eingestellt am: 10 Feb 2022 07:43
Letzte Änderung: 04 Aug 2023 10:03
URI: https://eref.uni-bayreuth.de/id/eprint/68654