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 /* datatypes */
  16
  17 typedef struct s_atom {
  18         t_3dvec r;      /* positions */
  19         t_3dvec v;      /* velocities */
  20         t_3dvec f;      /* forces */
  21         int element;    /* number of element in pse */
  22         double mass;    /* atom mass */
  23 } t_atom;
  24
  25 typedef struct s_linkcell {
  26         int listfd;
  27         int nx,ny,nz;
  28         int cells;
  29         double x,y,z;
  30         t_list *subcell;
  31 } t_linkcell;
  32
  33 #include "visual/visual.h"
  34
  35 typedef struct s_moldyn {
  36         /* atoms, amount, dimensions */
  37         int count;
  38         t_atom *atom;
  39         t_3dvec dim;
  40         /* potential, force & parameters */
  41         int (*potential_force_function)(struct s_moldyn *moldyn);
  42         void *pot_params;
  43         /* cut off radius */
  44         double cutoff;
  45         double cutoff_square;
  46         /* linked list / cell method */
  47         t_linkcell lc;
  48         /* temperature */
  49         double t;
  50         /* integration of newtons equations */
  51         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
  52         int time_steps;
  53         double tau;
  54         double tau_square;
  55         /* energy */
  56         double energy;
  57         /* logging & visualization */
  58         t_visual vis;
  59         unsigned char lvstat;
  60         unsigned int ewrite;
  61         char efb[64];
  62         int efd;
  63         unsigned int mwrite;
  64         char mfb[64];
  65         int mfd;
  66         unsigned int swrite;
  67         char sfb[64];
  68         int sfd;
  69         unsigned int dwrite;
  70         char dfb[64];
  71         int dfd;
  72         unsigned int vwrite;
  73         char vfb[64];
  74         void *visual;
  75         /* moldyn general status */
  76         unsigned char status;
  77         /* random */
  78         t_random random;
  79 } t_moldyn;
  80
  81 typedef struct s_ho_params {
  82         double spring_constant;
  83         double equilibrium_distance;
  84 } t_ho_params;
  85
  86 typedef struct s_lj_params {
  87         double sigma6;
  88         double sigma12;
  89         double epsilon4;
  90 } t_lj_params;
  91
  92 typedef struct s_tersoff_params {
  93         double l_1,l_2;
  94         double m_1,m_2;
  95         double a_1,a_2;
  96         double b_1,b_2;
  97         double r_1,r_2;
  98         double s_1,s_2;
  99 } t_tersoff_params;
 100
 101 /*
 102  *  defines
 103  */
 104
 105 /* general defines */
 106
 107 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_E           0x01
 108 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_M           0x02
 109 #define MOLDYN_LVSTAT_SAVE              0x04
 110 #define MOLDYN_LVSTAT_DUMP              0x08
 111 #define MOLDYN_LVSTAT_VISUAL            0x10
 112 #define MOLDYN_LVSTAT_INITIALIZED       0x80
 113
 114 #define MOLDYN_STAT_POTENTIAL           0x01
 115 #define MOLDYN_STAT_FORCE               0x02
 116
 117 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 118 #define MOLDYN_TAU                      1.0e-15
 119 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0e-9
 120 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 121
 122 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 123 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 124
 125 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 126 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 127 #define MOLDYN_POTENTIAL_DEFAULT MOLDYN_POTENTIAL_LJ
 128
 129 /* phsical values */
 130
 131 #define K_BOLTZMANN             1.3807e-27                      /* Nm/K */
 132 #define AMU                     1.660540e-27                    /* kg */
 133
 134 #define FCC                     0x01
 135 #define DIAMOND                 0x02
 136
 137 #define C                       0x06
 138 #define M_C                     (12.011*AMU)
 139
 140 #define SI                      0x0e
 141 #define LC_SI                   0.543105e-9                             /* m */
 142 #define M_SI                    (28.085*AMU)                            /* kg */
 143 #define LJ_SIGMA_SI             ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* m */
 144 #define LJ_EPSILON_SI           (2.1678*1.60e-19)                       /* Nm */
 145
 146 /* function prototypes */
 147
 148 int moldyn_usage(char **argv);
 149 int moldyn_parse_argv(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 150 int moldyn_log_init(t_moldyn *moldyn);
 151 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 152 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 153
 154 int create_lattice(unsigned char type,int element,double mass,double lc,
 155                    int a,int b,int c,t_atom **atom);
 156 int destroy_lattice(t_atom *atom);
 157 int thermal_init(t_moldyn *moldyn);
 158 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn);
 159 double get_e_kin(t_atom *atom,int count);
 160 double get_e_pot(t_moldyn *moldyn);
 161 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 162 t_3dvec get_total_p(t_atom *atom,int count);
 163
 164 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist,double t);
 165
 166 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn);
 167 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 168 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 169 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 170
 171 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 172 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 173
 174 int harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn);
 175 int lennard_jones(t_moldyn *moldyn);
 176
 177 #endif