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  *
  18  * datatypes
  19  *
  20  */
  21
  22 /* general */
  23 typedef unsigned char u8;
  24
  25 /* the atom of the md simulation */
  26 typedef struct s_atom {
  27         t_3dvec r;              /* position */
  28         t_3dvec v;              /* velocity */
  29         t_3dvec f;              /* force */
  30         int element;            /* number of element in pse */
  31         double mass;            /* atom mass */
  32         u8 bnum;                /* brand number */
  33         u8 attr;                /* attributes */
  34 } t_atom;
  35
  36 #define ATOM_ATTR_FP    0x01    /* fixed position (bulk material) */
  37 #define ATOM_ATTR_HB    0x02    /* coupled to heat bath (velocity scaling) */
  38
  39 #define ATOM_ATTR_1BP   0x10    /* single paricle potential */
  40 #define ATOM_ATTR_2BP   0x20    /* pair potential */
  41 #define ATOM_ATTR_3BP   0x40    /* 3 body potential */
  42
  43 /* cell lists */
  44 typedef struct s_linkcell {
  45         int nx,ny,nz;           /* amount of cells in x, y and z direction */
  46         int cells;              /* total amount of cells */
  47         double len;             /* prefered cell edge length */
  48         double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
  49         t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
  50         int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
  51         int countn;             /* amount of neighbours */
  52 } t_linkcell;
  53
  54 #include "visual/visual.h"
  55
  56 /* moldyn schedule structure */
  57 typedef struct s_moldyn_schedule {
  58         int content_count;
  59         int *runs;
  60         double *tau;
  61         int (*hook)(void *moldyn,void *hook);
  62         void *hook_params;
  63 } t_moldyn_schedule;
  64
  65 /* moldyn main structure */
  66 typedef struct s_moldyn {
  67         int count;              /* total amount of atoms */
  68         t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
  69
  70         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
  71
  72         /* potential force function and parameter pointers */
  73         int (*pf_func1b)(struct s_moldyn *,t_atom *);
  74         void *pot1b_params;
  75         int (*pf_func2b)(struct s_moldyn *,t_atom *,t_atom *);
  76         void *pot2b_params;
  77         int (*pf_func3b)(struct s_moldyn *,t_atom *,t_atom *,t_atom *);
  78         void *pot3b_params;
  79         //int (*potential_force_function)(struct s_moldyn *moldyn);
  80
  81         double cutoff;          /* cutoff radius */
  82         double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
  83
  84         t_linkcell lc;          /* linked cell method */
  85
  86         double t;               /* temperature */
  87
  88         /* simulation schedule */
  89         t_moldyn_schedule schedule;
  90         int current;            /* current position in schedule */
  91
  92         /* integration function pointer */
  93         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
  94         int time_steps;         /* amount of iterations */
  95         double tau;             /* delta t */
  96         double tau_square;      /* delta t squared */
  97         double elapsed;         /* total elapsed time */
  98
  99         double energy;          /* potential energy */
 100         double ekin;            /* kinetic energy */
 101
 102         t_visual vis;           /* visualization/log/save interface structure */
 103         u8 lvstat;              /* log & vis properties */
 104         unsigned int ewrite;    /* how often to log energy */
 105         int efd;                /* fd for energy log */
 106         unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
 107         int mfd;                /* fd for momentum log */
 108         unsigned int vwrite;    /* how often to visualize atom information */
 109         char vfb[64];           /* visualization file name base */
 110         void *visual;           /* pointer (hack!) */
 111         unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
 112         char sfb[64];           /* visualization file name base */
 113
 114         u8 status;              /* general moldyn properties */
 115
 116         t_random random;        /* random interface */
 117 } t_moldyn;
 118
 119 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_E           0x01
 120 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_M           0x02
 121 #define MOLDYN_LVSTAT_SAVE              0x04
 122 #define MOLDYN_LVSTAT_VISUAL            0x08
 123 #define MOLDYN_LVSTAT_INITIALIZED       0x10
 124
 125 #define MOLDYN_STAT_PBX                 0x08    /* periodic boudaries in x */
 126 #define MOLDYN_STAT_PBY                 0x10    /* y */
 127 #define MOLDYN_STAT_PBZ                 0x20    /* and z direction */
 128
 129 #define MOLDYN_1BP                      0x00
 130 #define MOLDYN_2BP                      0x01
 131 #define MOLDYN_3BP                      0x02
 132
 133
 134 /*
 135  *
 136  * potential parameter structures
 137  *
 138  */
 139
 140 /*
 141  * harmonic oscillator potential parameter structure
 142  */
 143
 144 typedef struct s_ho_params {
 145         double spring_constant;
 146         double equilibrium_distance;
 147 } t_ho_params;
 148
 149 /*
 150  * lennard jones potential parameter structure
 151  */
 152
 153 typedef struct s_lj_params {
 154         double sigma6;
 155         double sigma12;
 156         double epsilon4;
 157 } t_lj_params;
 158
 159 /*
 160  * tersoff
 161  */
 162
 163 /* tersoff exchange structure to exchange 2bp and 3bp calculated values */
 164 typedef struct s_tersoff_exchange {
 165         double f_c,df_c;
 166
 167         t_3dvec dist_ij;
 168         double d_ij;
 169         double d_ij2;
 170
 171         double chi;
 172
 173         double *B;
 174         double *mu;
 175
 176         double *beta;
 177         double *n;
 178         double *c;
 179         double *d;
 180         double *h;
 181
 182         double c2;
 183         double d2;
 184         double c2d2;
 185         double betan;
 186
 187         u8 run3bp;
 188 } t_tersoff_exchange;
 189
 190 /* tersoff multi (2!) potential parameters */
 191 typedef struct s_tersoff_mult_params {
 192         double S[2];            /* tersoff cutoff radii */
 193         double R[2];            /* tersoff cutoff radii */
 194         double Smixed;          /* mixed S radius */
 195         double Rmixed;          /* mixed R radius */
 196         double A[2];            /* factor of tersoff attractive part */
 197         double B[2];            /* factor of tersoff repulsive part */
 198         double Amixed;          /* mixed A factor */
 199         double Bmixed;          /* mixed B factor */
 200         double lambda[2];       /* tersoff lambda */
 201         double lambda_m;        /* mixed lambda */
 202         double mu[2];           /* tersoff mu */
 203         double mu_m;            /* mixed mu */
 204
 205         double chi;
 206
 207         double beta[2];
 208         double n[2];
 209         double c[2];
 210         double d[2];
 211         double h[2];
 212
 213         t_tersoff_exchange exchange;    /* exchange between 2bp and 3bp calc */
 214 } t_tersoff_params;
 215
 216
 217
 218 /*
 219  *
 220  *  defines
 221  *
 222  */
 223
 224 /* default values */
 225
 226 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 227 #define MOLDYN_TAU                      1.0e-15
 228 #define MOLDYN_CUTOFF                   1.0e-9
 229 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 230
 231 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 232 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT        MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 233
 234 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 235 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 236 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM             0x02
 237
 238 #define MOLDYN_SET_POTENTIAL            0x00
 239 #define MOLDYN_SET_TEMPERATURE          0x01
 240 #define MOLDYN_SET_
 241 #define MOLDYN_SET_
 242
 243 #define TRUE                            1
 244 #define FALSE                           0
 245
 246 /*
 247  *
 248  * phsical values / constants
 249  *
 250  */
 251
 252 #define K_BOLTZMANN             1.3807e-27                      /* Nm/K */
 253 #define AMU                     1.660540e-27                    /* kg */
 254
 255 #define FCC                     0x01
 256 #define DIAMOND                 0x02
 257
 258 #define C                       0x06
 259 #define M_C                     (12.011*AMU)
 260
 261 #define SI                      0x0e
 262 #define LC_SI                   0.543105e-9                             /* m */
 263 #define M_SI                    (28.085*AMU)                            /* kg */
 264 #define LJ_SIGMA_SI             ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* m */
 265 #define LJ_EPSILON_SI           (2.1678*1.60e-19)                       /* Nm */
 266
 267
 268 /*
 269  *
 270  * function prototypes
 271  *
 272  */
 273
 274 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 275 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 276
 277 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 278 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
 279 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t);
 280 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 281 int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
 282 int set_potential(t_moldyn *moldyn,u8 type,(int *)(func),void *params);
 283
 284 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,char *fb,int timer);
 285 nt moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 286
 287 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
 288                    u8 attr,u8 bnum,int a,int b,int c);
 289 int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 bnum,u8 attr,
 290              t_3dvec r,t_3dvec v);
 291 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 292
 293 int thermal_init(t_moldyn *moldyn);
 294 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn);
 295
 296 double get_e_kin(t_moldyn *moldyn);
 297 double get_e_pot(t_moldyn *moldyn);
 298 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 299 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 300
 301 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist,double t);
 302
 303 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn);
 304 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 305 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 306 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 307
 308 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
 309 int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,void *hook,void *hook_params);
 310
 311 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 312 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 313
 314 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
 315 int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 316 int harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_Atom *aj,u8 bc);
 317 int lennard_jones(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 318 int tersoff_mult_1bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
 319 int tersoff_mult_2bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 320 int tersoff_mult_3bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bc);
 321
 322 #endif