moldyn.h

   1 /*
   2  * moldyn.h - molecular dynamics library header file
   3  *
   4  * author: Frank Zirkelbach <frank.zirkelbach@physik.uni-augsburg.de>
   5  *
   6  */
   7
   8 #ifndef MOLDYN_H
   9 #define MOLDYN_H
  10
  11 #include "math/math.h"
  12 #include "random/random.h"
  13 #include "list/list.h"
  14
  15 /*
  16  *
  17  * datatypes
  18  *
  19  */
  20
  21 /* general */
  22 typedef unsigned char u8;
  23
  24 /* virial */
  25 typedef struct s_virial {
  26         double xx;      /*                      | xx     xy     xz |    */
  27         double yy;      /*      V       =       | yx     yy     yz |    */
  28         double zz;      /*                      | zx     zy     zz |    */
  29         double xy;      /*                                              */
  30         double xz;      /*      with:   xy=yx, xz=zx, yz=zy             */
  31         double yz;      /*                                              */
  32 } t_virial;
  33
  34 /* the atom of the md simulation */
  35 typedef struct s_atom {
  36         t_3dvec r_0;            /* initial position */
  37         t_3dvec r;              /* position */
  38         t_3dvec v;              /* velocity */
  39         t_3dvec f;              /* force */
  40         t_virial virial;        /* virial */
  41         double e;               /* site energy */
  42         double ekin;            /* kinetic energy */
  43         int element;            /* number of element in pse */
  44         double mass;            /* atom mass */
  45         u8 brand;               /* brand id */
  46         int tag;                /* atom unique id (number of atom) */
  47         u8 attr;                /* attributes */
  48 } t_atom;
  49
  50 #define ATOM_ATTR_FP    0x01    /* fixed position (bulk material) */
  51 #define ATOM_ATTR_HB    0x02    /* coupled to heat bath (velocity scaling) */
  52 #define ATOM_ATTR_VA    0x04    /* visualize this atom */ // TODO
  53 #define ATOM_ATTR_VB    0x08    /* visualize the bond of this atom */
  54
  55 #define ATOM_ATTR_1BP   0x10    /* single paricle potential */
  56 #define ATOM_ATTR_2BP   0x20    /* pair potential */
  57 #define ATOM_ATTR_3BP   0x40    /* 3 body potential */
  58
  59 #define DEFAULT_ATOM_ATTR       0x74    // 1,2,3 body interaction + visualize
  60
  61 /* cell lists */
  62 typedef struct s_linkcell {
  63         int nx,ny,nz;           /* amount of cells in x, y and z direction */
  64         int cells;              /* total amount of cells */
  65         double len;             /* prefered cell edge length */
  66         double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
  67 #ifdef STATIC_LISTS
  68         int **subcell;          /* pointer to the cell lists */
  69 #else
  70         t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
  71 #endif
  72         int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
  73 } t_linkcell;
  74
  75 #define MAX_ATOMS_PER_LIST      20
  76
  77 /* moldyn schedule structure */
  78 typedef struct s_moldyn_schedule {
  79         int count;
  80         int total_sched;
  81         int *runs;
  82         double *tau;
  83         int (*hook)(void *moldyn,void *hook_params);
  84         void *hook_params;
  85 } t_moldyn_schedule;
  86
  87 /* visualization structure */
  88 typedef struct s_visual {
  89         int fd;                 /* rasmol script file descriptor */
  90         char fb[128];           /* basename of the save files */
  91         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation cell */
  92 } t_visual;
  93
  94 /* moldyn main structure */
  95 typedef struct s_moldyn {
  96         int argc;               /* number of arguments */
  97         char **args;            /* pointer to arguments */
  98
  99         int count;              /* total amount of atoms */
 100         double mass;            /* total system mass */
 101         t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
 102
 103         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
 104         double volume;          /* volume of sim cell (dim.x*dim.y*dim.z) */
 105
 106         /* potential force function and parameter pointers */
 107         int (*func_i0)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
 108         int (*func_j0)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 109         int (*func_j0_k0)(struct s_moldyn *moldyn,
 110                           t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 111         int (*func_j0e)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 112         int (*func_j1)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 113         int (*func_j1_k0)(struct s_moldyn *moldyn,
 114                           t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 115         int (*func_j1c)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 116         int (*func_j1_k1)(struct s_moldyn *moldyn,
 117                           t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 118         int (*func_j1e)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 119         void *pot_params;
 120         unsigned char run3bp;
 121
 122         double cutoff;          /* cutoff radius */
 123         double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
 124         double nnd;             /* nearest neighbour distance (optional) */
 125
 126         t_linkcell lc;          /* linked cell list interface */
 127
 128         int avg_skip;           /* amount of steps without average calc */
 129
 130         double t_ref;           /* reference temperature */
 131         double t;               /* actual temperature */
 132         double t_sum;           /* sum over all t */
 133         double t_avg;           /* average value of t */
 134
 135         t_virial gvir;          /* global virial (absolute coordinates) */
 136         double gv;
 137         double gv_sum;
 138         double gv_avg;
 139
 140         double gp;              /* pressure computed from global virial */
 141         double gp_sum;          /* sum over all gp */
 142         double gp_avg;          /* average value of gp */
 143
 144         t_virial vir;           /* actual virial */
 145         double virial;
 146         double virial_sum;      /* sum over all calculated virials */
 147         double virial_avg;      /* average of virial */
 148
 149         double p_ref;           /* reference pressure */
 150         double p;               /* actual pressure (computed by virial) */
 151         double px,py,pz;        /* components of pressure */
 152         double p_sum;           /* sum over all p */
 153         double p_avg;           /* average value of p */
 154
 155         double tp;              /* thermodynamic pressure dU/dV */
 156         double tp_sum;          /* sum over dU/dV pressure */
 157         double tp_avg;          /* average value of dU/dV pressure */
 158         int tp_cnt;             /* how often to do thermodynamic p calc */
 159
 160         /* pressure and temperature control (velocity/volume scaling) */
 161         /* (t_tc in units of tau, p_tc in units of tau * isoth. compressib.) */
 162         unsigned char pt_scale; /* type of p and t scaling */
 163         double t_tc;            /* t berendsen control time constant */
 164         double p_tc;            /* p berendsen control time constant */
 165
 166         /* simulation schedule */
 167         t_moldyn_schedule schedule;
 168         int current;            /* current position in schedule */
 169
 170         /* integration function pointer */
 171         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
 172         int time_steps;         /* amount of iterations */
 173         double tau;             /* delta t */
 174         double time;            /* absolute time */
 175         double tau_square;      /* delta t squared */
 176         int total_steps;        /* total steps */
 177
 178         /* energy */
 179         double energy;          /* potential energy */
 180         double ekin;            /* kinetic energy */
 181
 182         /* energy averages & fluctuations */
 183         double k_sum;           /* sum of kinetic energy */
 184         double v_sum;           /* sum of potential energy */
 185         double k_avg;           /* average of kinetic energy */
 186         double v_avg;           /* average of potential energy */
 187         double k2_sum;          /* sum of kinetic energy squared */
 188         double v2_sum;          /* sum of potential energy squared */
 189         double k2_avg;          /* average of kinetic energy squared */
 190         double v2_avg;          /* average of potential energy squared */
 191         double dk2_avg;         /* mean square kinetic energy fluctuations */
 192         double dv2_avg;         /* mean square potential energy fluctuations */
 193
 194         /* response functions */
 195         double c_v_nve;         /* constant volume heat capacity (nve) */
 196         double c_v_nvt;         /* constant volume heat capacity (nvt) */
 197
 198         char vlsdir[128];       /* visualization/log/save directory */
 199         t_visual vis;           /* visualization interface structure */
 200         u8 vlsprop;             /* log/vis/save properties */
 201         unsigned int ewrite;    /* how often to log energy */
 202         int efd;                /* fd for energy log */
 203         unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
 204         int mfd;                /* fd for momentum log */
 205         unsigned int pwrite;    /* how often to log pressure */
 206         int pfd;                /* fd for pressure log */
 207         unsigned int twrite;    /* how often to log temperature */
 208         int tfd;                /* fd for temperature log */
 209         unsigned int vwrite;    /* how often to log volume */
 210         int vfd;                /* fd for volume log */
 211         unsigned int awrite;    /* how often to visualize atom information */
 212         unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
 213         int rfd;                /* report file descriptor */
 214         char rtitle[64];        /* report title */
 215         char rauthor[64];       /* report author */
 216         int epfd;               /* energy gnuplot script file descriptor */
 217         int ppfd;               /* pressure gnuplot script file descriptor */
 218         int tpfd;               /* temperature gnuplot script file descriptor */
 219
 220         u8 status;              /* general moldyn properties */
 221
 222         t_random random;        /* random interface */
 223
 224         double debug;           /* debugging stuff, ignore */
 225
 226         /* potential 2 body check function */
 227         int (*check_2b_bond)(struct s_moldyn *moldyn,
 228                              t_atom *itom,t_atom *jtom,u8 bc);
 229 } t_moldyn;
 230
 231 typedef struct s_pcc {
 232         int o1;
 233         int o2;
 234         double dr;
 235         double *stat;
 236 } t_pcc;
 237
 238 typedef struct s_ba {
 239         int *acnt;
 240         int *bcnt;
 241         int tcnt;
 242 } t_ba;
 243
 244 typedef struct s_vb {
 245         int fd;
 246 } t_vb;
 247
 248 /*
 249  *
 250  *  defines
 251  *
 252  */
 253
 254 #define MOLDYN_STAT_PBX                 0x01    /* periodic boudaries in x */
 255 #define MOLDYN_STAT_PBY                 0x02    /* y */
 256 #define MOLDYN_STAT_PBZ                 0x04    /* and z direction */
 257
 258 #define MOLDYN_PSCALE                   0x08    /* size controlled by piston */
 259
 260 #define MOLDYN_1BP                      0x10    /* care about single */
 261 #define MOLDYN_2BP                      0x20    /* 2 body */
 262 #define MOLDYN_3BP                      0x40    /* and 3 body particle pots */
 263
 264 #define T_SCALE_NONE                    0x00
 265 #define T_SCALE_BERENDSEN               0x01    /* berendsen t control */
 266 #define T_SCALE_DIRECT                  0x02    /* direct t control */
 267 #define T_SCALE_MASK                    0x03
 268
 269 #define P_SCALE_NONE                    0x00
 270 #define P_SCALE_BERENDSEN               0x04    /* berendsen p control */
 271 #define P_SCALE_DIRECT                  0x08    /* direct p control */
 272 #define P_SCALE_MASK                    0x0c
 273
 274 /*
 275  * default values & units
 276  *
 277  * - length unit: 1 A (1 A = 1e-10 m)
 278  * - time unit: 1 fs (1 fs = 1e-15 s)
 279  * - mass unit: 1 amu (1 amu = 1.6605388628e-27 kg )
 280  *
 281  * fyi: in the following 1 N = (amu*A)/(fs*fs)
 282  *
 283  */
 284
 285 #define METER                           1e10                    /* A */
 286 #define SECOND                          1e15                    /* fs */
 287 #define AMU                             1.6605388628e-27        /* kg */
 288 #define KILOGRAM                        (1.0/AMU)               /* amu */
 289 #define NEWTON  (METER*KILOGRAM/(SECOND*SECOND))        /* A amu / fs^2 */
 290 #define PASCAL  (NEWTON/(METER*METER))                  /* N / A^2 */
 291 #define GPA     (1e9*PASCAL)                            /* N / A^2 */
 292 #define BAR     ((1.0e5*PASCAL))                        /* N / A^2 */
 293 #define K_BOLTZMANN     (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
 294 #define K_B2            (K_BOLTZMANN*K_BOLTZMANN)       /* (NA)^2/K^2 */
 295 #define EV              (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
 296 #define JOULE           (NEWTON*METER)                  /* NA */
 297
 298 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 299 #define MOLDYN_TAU                      1.0
 300 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0
 301 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 302
 303 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 304 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT        MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 305
 306 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 307 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 308 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM             0x02
 309 #define MOLDYN_POTENTIAL_AM             0x03
 310 #define MOLDYN_POTENTIAL_AO             0x04
 311
 312 #define LOG_TOTAL_ENERGY                0x01
 313 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM              0x02
 314 #define LOG_PRESSURE                    0x04
 315 #define LOG_TEMPERATURE                 0x08
 316 #define LOG_VOLUME                      0x10
 317 #define SAVE_STEP                       0x20
 318 #define VISUAL_STEP                     0x40
 319 #define CREATE_REPORT                   0x80
 320
 321 #define TRUE                            1
 322 #define FALSE                           0
 323
 324 #define VERBOSE                         1
 325 #define QUIET                           0
 326
 327 #define SCALE_UP                        'u'
 328 #define SCALE_DOWN                      'd'
 329 #define SCALE_DIRECT                    'D'
 330
 331 /*
 332  * usefull constants
 333  */
 334
 335 #define ONE_THIRD               (1.0/3.0)
 336
 337 /*
 338  * element specific defines
 339  */
 340
 341 #define C                       0x06
 342 #define LC_C                    3.567                           /* A */
 343 #define M_C                     12.011                          /* amu */
 344
 345 #define SI                      0x0e
 346 #define LC_SI                   5.43105                         /* A */
 347 #define M_SI                    28.08553                        /* amu */
 348
 349 #define LC_3C_SIC               4.3596                          /* A */
 350
 351 /*
 352  * lattice types
 353  */
 354
 355 #define CUBIC                   0x01
 356 #define FCC                     0x02
 357 #define DIAMOND                 0x04
 358 #define ZINCBLENDE              0x08
 359
 360 /*
 361  * more includes
 362  */
 363
 364 #include "pse.h"
 365
 366 /*
 367  *
 368  * function prototypes
 369  *
 370  */
 371
 372 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 373 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 374
 375 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 376 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
 377 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t_ref);
 378 int set_pressure(t_moldyn *moldyn,double p_ref);
 379 int set_p_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc);
 380 int set_t_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ttype,double ttc);
 381 int set_pt_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc,u8 ttype,double ttc);
 382 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 383 int set_nn_dist(t_moldyn *moldyn,double dist);
 384 int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
 385 int set_potential(t_moldyn *moldyn,u8 type);
 386
 387 int set_avg_skip(t_moldyn *moldyn,int skip);
 388
 389 int moldyn_set_log_dir(t_moldyn *moldyn,char *dir);
 390 int moldyn_set_report(t_moldyn *moldyn,char *author,char *title);
 391 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,int timer);
 392 int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 393
 394 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
 395                    u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c,t_3dvec *origin);
 396 int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 brand,u8 attr,
 397              t_3dvec *r,t_3dvec *v);
 398 int del_atom(t_moldyn *moldyn,int tag);
 399 int cubic_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 400 int fcc_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 401 int diamond_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 402 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 403
 404 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 405 double total_mass_calc(t_moldyn *moldyn);
 406 double temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
 407 double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 408 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 409 double virial_sum(t_moldyn *moldyn);
 410 double pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 411 int average_reset(t_moldyn *moldyn);
 412 int average_and_fluctuation_calc(t_moldyn *moldyn);
 413 int get_heat_capacity(t_moldyn *moldyn);
 414 double thermodynamic_pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 415 double get_pressure(t_moldyn *moldyn);
 416 int scale_volume(t_moldyn *moldyn);
 417 int scale_dim(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 418 int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 419
 420 double e_kin_calc(t_moldyn *moldyn);
 421 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 422 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 423
 424 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 425
 426 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 427 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 428 #ifdef STATIC_LISTS
 429 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int **cell);
 430 #else
 431 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 432 #endif
 433 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 434
 435 typedef int (*set_hook)(void *,void *);
 436
 437 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
 438 int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,set_hook hook,void *hook_params);
 439
 440 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 441 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 442
 443 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
 444 int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d);
 445 //inline int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d)
 446 //      __attribute__((always_inline));
 447 int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 448 //inline int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a)
 449 //      __attribute__((always_inline));
 450
 451 int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
 452
 453 int moldyn_read_save_file(t_moldyn *moldyn,char *file);
 454 int moldyn_free_save_file(t_moldyn *moldyn);
 455 int moldyn_load(t_moldyn *moldyn);
 456 int process_2b_bonds(t_moldyn *moldyn,void *data,
 457                      int (*process)(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 458                                     void *data,u8 bc));
 459 int get_line(int fd,char *line,int max);
 460
 461 int pair_correlation_init(t_moldyn *moldyn,double dr);
 462 int calculate_diffusion_coefficient(t_moldyn *moldyn,double *dc);
 463 int calculate_pair_correlation_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,
 464                                        t_atom *jtom,void *data,u8 bc);
 465 int calculate_pair_correlation(t_moldyn *moldyn,double dr,void *ptr);
 466 int bond_analyze_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 467                          void *data,u8 bc);
 468 int bond_analyze(t_moldyn *moldyn,double *quality);
 469
 470 int visual_init(t_moldyn *moldyn,char *filebase);
 471 int visual_bonds_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 472                          void *data,u8 bc);
 473 int visual_atoms(t_moldyn *moldyn);
 474
 475 #endif
 476