We introduce a fast and robust algorithm for finding a plane $\Gamma$ with given normal $\vec{n}_\Gamma$, which truncates an arbitrary polyhedron $\mathcal{P}$ such that the remaining sub-polyhedron admits a given volume $\alpha|\mathcal{P}|$. In the literature, this is commonly referred to as Volume-of-Fluid (VoF) interface positioning problem. The novelty of our work is twofold: firstly, by recursive application of the Gaussian divergence theorem, the volume of a truncated polyhedron can be computed at high efficiency, based on summation over quantities associated to the faces of the polyhedron. One obtains a very convenient piecewise parametrization (within so-called brackets) in terms of the signed distance s to the plane $\Gamma$. As an implication, one can restrain from the costly necessity to establish topological connectivity, rendering the present approach most suitable for the application to unstructured computational meshes. Secondly, in the vicinity of the truncation position s, the volume can be expressed exactly, i.e. in terms of a cubic polynomial of the normal distance to the PLIC plane. The local knowledge of derivatives enables to construct a root-finding algorithm that pairs bracketing and higher-order approximation. The performance is assessed by conducting an extensive set of numerical experiments, considering convex and non-convex polyhedra of genus (i.e., number of holes) zero and one in combination with carefully selected volume fractions $\alpha$ (including $\alpha\approx0$ and $\alpha\approx1$) and normal orientations $\vec{n}_\Gamma$. For all configurations we obtain a significant reduction of the number of (computationally costly) truncations required for the positioning: on average, our algorithm requires between one and two polyhedron truncations to find the position of the plane $\Gamma$, outperforming existing methods.


翻译:我们引入了一个快速和强势的算法, 以找到一个平面 $\ gamma$, 给定正常的 $\ { { { \ \ \ gamma$, 快速和稳健的算法。 首先, 通过反复应用 高斯值的离差方, 松动的多面体的体积可以以高效率计算, 以相对于多面体表面的相加量为基础。 在文献中, 这通常被称为 Vof- fluid (VoF) 界面定位问题 。 我们的工作具有双重性: 首先, 通过反复应用高分解的离差方的离差方值, 松动的多面体积可以计算出高点的多面体积的离子体积 。 在平面的平面上, 平面的平面的直面体积和直面的直径直方體位, 可以使平面的平面的平面的平面的平面法 。

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