This paper is devoted to the construction and analysis of immersed finite element (IFE) methods in three dimensions. Different from the 2D case, the points of intersection of the interface and the edges of a tetrahedron are usually not coplanar, which makes the extension of the original 2D IFE methods based on a piecewise linear approximation of the interface to the 3D case not straightforward. We address this coplanarity issue by an approach where the interface is approximated via discrete level set functions. This approach is very convenient from a computational point of view since in many practical applications the exact interface is often unknown, and only a discrete level set function is available. As this approach has also not be considered in the 2D IFE methods, in this paper we present a unified framework for both 2D and 3D cases. We consider an IFE method based on the traditional Crouzeix-Raviart element using integral values on faces as degrees of freedom. The novelty of the proposed IFE is the unisolvence of basis functions on arbitrary triangles/tetrahedrons without any angle restrictions even for anisotropic interface problems, which is advantageous over the IFE using nodal values as degrees of freedom. The optimal bounds for the IFE interpolation errors are proved on shape-regular triangulations. For the IFE method, optimal a priori error and condition number estimates are derived with constants independent of the location of the interface with respect to the unfitted mesh. The extension to anisotropic interface problems with tensor coefficients is also discussed. Numerical examples supporting the theoretical results are provided.


翻译:本文用于构建和分析三个维度的隐蔽定点元素( IFE) 方法。 与 2D 情况不同, 界面的交叉点点和四面的边缘通常不是共平线, 这使得基于 3D 情况接口的原始 2D IFE 方法的扩展无法直截了当。 我们通过一个界面通过离散级别设置函数相近的组合值处理这个共和性问题。 从计算界面的角度看, 这种方法非常方便, 因为在许多实际应用中, 精确的界面往往未知, 只有离散的介点设置的介点功能功能。 由于2D IFE 方法中也没有考虑这个方法, 这使得我们为 2D 和 3D 情况提供了一个统一的框架。 我们考虑基于传统的 Crouzeix- Ravirart 元素的方法, 其面面面部的组合值是自由度。 拟议的 IFEFE 数字是基础函数的单解度功能, 其直径直径直线/ Terrahen, 且不具有任何角的直径方位值的直径方位位置的比值 。 则也证明 Restroferal- roder rode roder 。 。 roder 。 。 的IFE- rolate- preal- preal- rofol- 问题是, roisal- lader rois- routis

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