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Diffusion-redistanciation schemes for 2D and 3D constrained Willmore flow: application to the equilibrium shapes of vesicles

Authors :
Emmanuel Maitre
Mourad E. H. Ismail
Arnaud Sengers
Thibaut Metivet
ModELisation de l'apparence des phénomènes Non-linéaires (ELAN)
Inria Grenoble - Rhône-Alpes
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
Université Grenoble Alpes (UGA)
Equations aux Dérivées Partielles (EDP)
Laboratoire Jean Kuntzmann (LJK)
Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP )
DYnamique des Fluides COmplexes et Morphogénèse [Grenoble] (DYFCOM-LIPhy )
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique [Saint Martin d’Hères] (LIPhy )
Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)
Most of the computations presented in this paper were performed using the Froggy platform of the GRICAD infrastructure (https://gricad.univ-grenoble-alpes.fr), which is supported by the Rhône-Alpes region (GRANT CPER07_13 CIRA) and the Equip@Meso project (reference ANR-10-EQPX-29-01) of the programme Investissements d’Avenir supervised by the Agence Nationale pour la Recherche, and the Atlas cluster from the Research Institute in Advanced Mathematics (IRMA - UMR7501).
ANR-10-EQPX-0029,EQUIP@MESO,Equipement d'excellence de calcul intensif de Mesocentres coordonnés - Tremplin vers le calcul petaflopique et l'exascale(2010)
Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology [2020-....] (Grenoble INP [2020-....])
Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology [2020-....] (Grenoble INP [2020-....])
Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])
Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Institut National de Recherche en Informatique et en Automatique (Inria)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology [2020-....] (Grenoble INP [2020-....])
DYnamique des Fluides COmplexes et Morphogénèse [Grenoble] [2020-….] (DYFCOM-LIPhy [2020-….])
Laboratoire Interdisciplinaire de Physique [Saint Martin d’Hères] [2020-….] (LIPhy [2020-….])
Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes [2020-....] (UGA [2020-....])-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)
Source :
Journal of Computational Physics, Journal of Computational Physics, Elsevier, 2021, 436, pp.110288. ⟨10.1016/j.jcp.2021.110288⟩, Journal of Computational Physics, 2021, 436, pp.110288. ⟨10.1016/j.jcp.2021.110288⟩
Publication Year :
2020
Publisher :
HAL CCSD, 2020.

Abstract

In this paper we present a novel algorithm for simulating geometrical flows, and in particular the Willmore flow, with conservation of volume and area. The idea is to adapt the class of diffusion-redistanciation algorithms to the Willmore flow in both two and three dimensions. These algorithms rely on alternating diffusions of the signed distance function to the interface and a redistanciation step, and with careful choice of the applied diffusions, end up moving the zero level-set of the distance function by some geometrical quantity without resorting to any explicit transport equation. The constraints are enforced between the diffusion and redistanciation steps via a simple rescaling method. The energy globally decreases at the end of each global step. The algorithms feature the computational efficiency of thresholding methods without requiring any adaptive remeshing thanks to the use of a signed distance function to describe the interface. This opens their application to dynamic fluid-structure simulations for large and realistic cases. The methodology is validated by computing the equilibrium shapes of two- and three-dimensional vesicles, as well as the Clifford torus.

Details

Language :
English
ISSN :
00219991 and 10902716
Database :
OpenAIRE
Journal :
Journal of Computational Physics, Journal of Computational Physics, Elsevier, 2021, 436, pp.110288. ⟨10.1016/j.jcp.2021.110288⟩, Journal of Computational Physics, 2021, 436, pp.110288. ⟨10.1016/j.jcp.2021.110288⟩
Accession number :
edsair.doi.dedup.....d7a1ee96f0e30e29dbb834327001dd50