Branch data Line data Source code
1 : : // *****************************************************************************
2 : : /*!
3 : : \file src/Mesh/DerivedData.hpp
4 : : \copyright 2012-2015 J. Bakosi,
5 : : 2016-2018 Los Alamos National Security, LLC.,
6 : : 2019-2021 Triad National Security, LLC.
7 : : All rights reserved. See the LICENSE file for details.
8 : : \brief Generate data structures derived from unstructured mesh
9 : : \details Generate data structures derived from the connectivity information
10 : : of an unstructured mesh.
11 : : */
12 : : // *****************************************************************************
13 : : #ifndef DerivedData_h
14 : : #define DerivedData_h
15 : :
16 : : #include <vector>
17 : : #include <map>
18 : : #include <utility>
19 : : #include <cstddef>
20 : : #include "Types.hpp"
21 : : #include "Fields.hpp"
22 : : #include "UnsMesh.hpp"
23 : :
24 : : namespace tk {
25 : :
26 : : //! Const array defining the node ordering convention for tetrahedron faces
27 : : //! \details This two-dimensional array stores the naming/ordering convention of
28 : : //! the node indices of a tetrahedron (tet) element. The dimensions are 4x3 as
29 : : //! a tetrahedron has a total of 4 nodes and each (triangle) face has 3 nodes.
30 : : //! Thus the array below associates tet node 0 with nodes {1,2,3}, tet node 1
31 : : //! with {2,0,3}, tet node 2 with {3,0,1}, and tet node 3 with {0,2,1}. Note
32 : : //! that not only these mappings are important, but also the order of the
33 : : //! nodes within the triplets as this specific order also defines the outwards
34 : : //! normal of each face.
35 : : const std::array< UnsMesh::Face, 4 >
36 : : lpofa{{ {{1,2,3}}, {{2,0,3}}, {{3,0,1}}, {{0,2,1}} }};
37 : :
38 : : //! Const array defining the node ordering convention for tetrahedron edges
39 : : const std::array< UnsMesh::Edge, 6 >
40 : : lpoed{{ {{0,1}}, {{1,2}}, {{0,2}}, {{0,3}}, {{1,3}}, {{2,3}} }};
41 : :
42 : : //! Const array defining the node ordering convention for triangle edges
43 : : const std::array< UnsMesh::Edge, 3 > lpoet{{ {{0,1}}, {{1,2}}, {{2,0}} }};
44 : :
45 : : //! Determine edge orientation
46 : : int
47 : : orient( const UnsMesh::Edge& t, const UnsMesh::Edge& e );
48 : :
49 : : //! Compute number of points (nodes) in mesh from connectivity
50 : : std::size_t
51 : : npoin_in_graph( const std::vector< std::size_t >& inpoel );
52 : :
53 : : //! Compute the unit normal vector of a triangle
54 : : //! \param[in] x1 x coordinate of the 1st vertex of the triangle
55 : : //! \param[in] x2 x coordinate of the 2nd vertex of the triangle
56 : : //! \param[in] x3 x coordinate of the 3rd vertex of the triangle
57 : : //! \param[in] y1 y coordinate of the 1st vertex of the triangle
58 : : //! \param[in] y2 y coordinate of the 2nd vertex of the triangle
59 : : //! \param[in] y3 y coordinate of the 3rd vertex of the triangle
60 : : //! \param[in] z1 z coordinate of the 1st vertex of the triangle
61 : : //! \param[in] z2 z coordinate of the 2nd vertex of the triangle
62 : : //! \param[in] z3 z coordinate of the 3rd vertex of the triangle
63 : : //! \param[out] nx x coordinate of the unit normal
64 : : //! \param[out] ny y coordinate of the unit normal
65 : : //! \param[out] nz z coordinate of the unit normal
66 : : #pragma omp declare simd
67 : : inline void
68 : 7456458 : normal( real x1, real x2, real x3,
69 : : real y1, real y2, real y3,
70 : : real z1, real z2, real z3,
71 : : real& nx, real& ny, real& nz )
72 : : {
73 : 7456458 : real ax = x2 - x1;
74 : 7456458 : real ay = y2 - y1;
75 : 7456458 : real az = z2 - z1;
76 : :
77 : 7456458 : real bx = x3 - x1;
78 : 7456458 : real by = y3 - y1;
79 : 7456458 : real bz = z3 - z1;
80 : :
81 : 7456458 : real n1 = ay*bz - az*by;
82 : 7456458 : real n2 = -(ax*bz - az*bx);
83 : 7456458 : real n3 = ax*by - ay*bx;
84 : :
85 : 7456458 : auto farea = std::sqrt( n1*n1 + n2*n2 + n3*n3 );
86 : :
87 : 7456458 : nx = n1/farea;
88 : 7456458 : ny = n2/farea;
89 : 7456458 : nz = n3/farea;
90 : 7456458 : }
91 : :
92 : : //! Compute the unit normal vector of a triangle
93 : : std::array< real, 3 >
94 : : normal( const std::array< real, 3 >& x,
95 : : const std::array< real, 3 >& y,
96 : : const std::array< real, 3 >& z );
97 : :
98 : : //! Compute the are of a triangle
99 : : //! \param[in] x1 x coordinate of the 1st vertex of the triangle
100 : : //! \param[in] x2 x coordinate of the 2nd vertex of the triangle
101 : : //! \param[in] x3 x coordinate of the 3rd vertex of the triangle
102 : : //! \param[in] y1 y coordinate of the 1st vertex of the triangle
103 : : //! \param[in] y2 y coordinate of the 2nd vertex of the triangle
104 : : //! \param[in] y3 y coordinate of the 3rd vertex of the triangle
105 : : //! \param[in] z1 z coordinate of the 1st vertex of the triangle
106 : : //! \param[in] z2 z coordinate of the 2nd vertex of the triangle
107 : : //! \param[in] z3 z coordinate of the 3rd vertex of the triangle
108 : : //! \return Area of the triangle
109 : : #pragma omp declare simd
110 : : inline real
111 : 7456458 : area( real x1, real x2, real x3,
112 : : real y1, real y2, real y3,
113 : : real z1, real z2, real z3 )
114 : : {
115 : 7456458 : auto sidea = sqrt( (x2-x1)*(x2-x1) + (y2-y1)*(y2-y1) + (z2-z1)*(z2-z1) );
116 : 7456458 : auto sideb = sqrt( (x3-x2)*(x3-x2) + (y3-y2)*(y3-y2) + (z3-z2)*(z3-z2) );
117 : 7456458 : auto sidec = sqrt( (x1-x3)*(x1-x3) + (y1-y3)*(y1-y3) + (z1-z3)*(z1-z3) );
118 : :
119 : 7456458 : auto semip = 0.5 * (sidea + sideb + sidec);
120 : :
121 : 7456458 : return sqrt( semip * (semip-sidea) * (semip-sideb) * (semip-sidec) );
122 : : }
123 : :
124 : : //! Compute the area of a triangle
125 : : real
126 : : area( const std::array< real, 3 >& x,
127 : : const std::array< real, 3 >& y,
128 : : const std::array< real, 3 >& z );
129 : :
130 : : //! Generate derived data structure, elements surrounding points
131 : : std::pair< std::vector< std::size_t >, std::vector< std::size_t > >
132 : : genEsup( const std::vector< std::size_t >& inpoel, std::size_t nnpe );
133 : :
134 : : //! Generate derived data structure, points surrounding points
135 : : std::pair< std::vector< std::size_t >, std::vector< std::size_t > >
136 : : genPsup( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
137 : : std::size_t nnpe,
138 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
139 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
140 : :
141 : : //! Generate derived data structure, edges surrounding points
142 : : std::pair< std::vector< std::size_t >, std::vector< std::size_t > >
143 : : genEdsup( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
144 : : std::size_t nnpe,
145 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
146 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
147 : :
148 : : //! Generate derived data structure, edge connectivity
149 : : std::vector< std::size_t >
150 : : genInpoed( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
151 : : std::size_t nnpe,
152 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
153 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
154 : :
155 : : //! Generate derived data structure, elements surrounding points of elements
156 : : std::pair< std::vector< std::size_t >, std::vector< std::size_t > >
157 : : genEsupel( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
158 : : std::size_t nnpe,
159 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
160 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
161 : :
162 : : //! Generate derived data structure, elements surrounding elements
163 : : std::pair< std::vector< std::size_t >, std::vector< std::size_t > >
164 : : genEsuel( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
165 : : std::size_t nnpe,
166 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
167 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
168 : :
169 : : //! \brief Generate derived data structure, elements surrounding elements
170 : : //! as a fixed length data structure as a full vector, including boundary
171 : : //! elements as -1.
172 : : std::vector< int >
173 : : genEsuelTet( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
174 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
175 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
176 : :
177 : : //! Generate derived data structure, edges of elements
178 : : std::vector< std::size_t >
179 : : genInedel( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
180 : : std::size_t nnpe,
181 : : const std::vector< std::size_t >& inpoed );
182 : :
183 : : //! Generate derived data structure, elements surrounding edges
184 : : std::unordered_map< UnsMesh::Edge, std::vector< std::size_t >,
185 : : UnsMesh::Hash<2>, UnsMesh::Eq<2> >
186 : : genEsued( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
187 : : std::size_t nnpe,
188 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
189 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
190 : :
191 : : //! Generate total number of boundary faces in this chunk
192 : : std::size_t
193 : : genNbfacTet( std::size_t tnbfac,
194 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
195 : : const std::vector< std::size_t >& triinpoel_complete,
196 : : const std::map< int, std::vector< std::size_t > >& bface_complete,
197 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::size_t >& lid,
198 : : std::vector< std::size_t >& triinpoel,
199 : : std::map< int, std::vector< std::size_t > >& bface );
200 : :
201 : : //! Generate number of internal and physical-boundary faces
202 : : std::size_t
203 : : genNipfac( std::size_t nfpe,
204 : : std::size_t nbfac,
205 : : const std::vector< int >& esuelTet );
206 : :
207 : : //! Generate derived data structure, elements surrounding faces
208 : : std::vector< int >
209 : : genEsuf( std::size_t nfpe,
210 : : std::size_t nipfac,
211 : : std::size_t nbfac,
212 : : const std::vector< std::size_t >& belem,
213 : : const std::vector< int >& esuelTet );
214 : :
215 : : //! Generate derived data structure, node-face connectivity
216 : : std::vector< std::size_t >
217 : : genInpofaTet( std::size_t nipfac,
218 : : std::size_t nbfac,
219 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
220 : : const std::vector< std::size_t >& triinpoel,
221 : : const std::vector< int >& esuelTet );
222 : :
223 : : //! Generate derived data structure, host/boundary element
224 : : std::vector< std::size_t >
225 : : genBelemTet( std::size_t nbfac,
226 : : const std::vector< std::size_t >& inpofa,
227 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
228 : : std::vector< std::size_t > >& esup );
229 : :
230 : : //! Generate derived data structure, face geometry
231 : : Fields
232 : : genGeoFaceTri( std::size_t nipfac,
233 : : const std::vector< std::size_t >& inpofa,
234 : : const UnsMesh::Coords& coord );
235 : :
236 : : //! Compute geometry of the face given by three vertices
237 : : Fields
238 : : geoFaceTri( const std::array< real, 3 >& x,
239 : : const std::array< real, 3 >& y,
240 : : const std::array< real, 3 >& z );
241 : :
242 : : //! Generate derived data structure, element geometry
243 : : Fields
244 : : genGeoElemTet( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
245 : : const UnsMesh::Coords& coord );
246 : :
247 : : //! Perform leak-test on mesh (partition)
248 : : bool
249 : : leakyPartition( const std::vector< int >& esueltet,
250 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
251 : : const UnsMesh::Coords& coord );
252 : :
253 : : //! Check if mesh (partition) is conforming
254 : : bool
255 : : conforming( const std::vector< std::size_t >& inpoel,
256 : : const UnsMesh::Coords& coord,
257 : : bool cerr = true,
258 : : const std::vector< std::size_t >& rid={} );
259 : :
260 : : //! Determine if a point is in a tetrahedron
261 : : bool
262 : : intet( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
263 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
264 : : const std::vector< real >& p,
265 : : std::size_t e,
266 : : std::array< real, 4 >& N );
267 : :
268 : : //! Compute curl of a vector field at nodes of unstructured tetrahedra mesh
269 : : tk::UnsMesh::Coords
270 : : curl( const std::array< std::vector< tk::real >, 3 >& coord,
271 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
272 : : const tk::UnsMesh::Coords& v );
273 : :
274 : : //! Compute divergence of vector field at nodes of unstructured tetrahedra mesh
275 : : std::vector< tk::real >
276 : : div( const std::array< std::vector< tk::real >, 3 >& coord,
277 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
278 : : const tk::UnsMesh::Coords& v );
279 : :
280 : : //! Compute gradient of a scalar field at nodes of unstructured tetrahedra mesh
281 : : tk::UnsMesh::Coords
282 : : grad( const std::array< std::vector< tk::real >, 3 >& coord,
283 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
284 : : const std::vector< tk::real >& phi );
285 : :
286 : : } // tk::
287 : :
288 : : #endif // DerivedData_h
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