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 */
  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 /* cell lists */
  60 typedef struct s_linkcell {
  61         int nx,ny,nz;           /* amount of cells in x, y and z direction */
  62         int cells;              /* total amount of cells */
  63         double len;             /* prefered cell edge length */
  64         double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
  65 #ifdef STATIC_LISTS
  66         int **subcell;          /* pointer to the cell lists */
  67 #else
  68         t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
  69 #endif
  70         int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
  71 } t_linkcell;
  72
  73 #define MAX_ATOMS_PER_LIST      20
  74
  75 /* moldyn schedule structure */
  76 typedef struct s_moldyn_schedule {
  77         int count;
  78         int total_sched;
  79         int *runs;
  80         double *tau;
  81         int (*hook)(void *moldyn,void *hook_params);
  82         void *hook_params;
  83 } t_moldyn_schedule;
  84
  85 /* visualization structure */
  86 typedef struct s_visual {
  87         int fd;                 /* rasmol script file descriptor */
  88         char fb[128];           /* basename of the save files */
  89         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation cell */
  90 } t_visual;
  91
  92 /* moldyn main structure */
  93 typedef struct s_moldyn {
  94         int argc;               /* number of arguments */
  95         char **args;            /* pointer to arguments */
  96
  97         int count;              /* total amount of atoms */
  98         double mass;            /* total system mass */
  99         t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
 100
 101         t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
 102         double volume;          /* volume of sim cell (dim.x*dim.y*dim.z) */
 103
 104         /* potential force function and parameter pointers */
 105         int (*func1b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
 106         int (*func2b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 107         int (*func3b_j1)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 108         int (*func3b_j2)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 109         int (*func3b_j3)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 110         int (*func3b_k1)(struct s_moldyn *moldyn,
 111                          t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 112         int (*func3b_k2)(struct s_moldyn *moldyn,
 113                          t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bck);
 114         void *pot_params;
 115         unsigned char run3bp;
 116
 117         double cutoff;          /* cutoff radius */
 118         double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
 119         double nnd;             /* nearest neighbour distance (optional) */
 120         double bondlen[3];      /* bond lengthes (only 2 atomic systems) */
 121
 122         t_linkcell lc;          /* linked cell list interface */
 123
 124         int avg_skip;           /* amount of steps without average calc */
 125
 126         double t_ref;           /* reference temperature */
 127         double t;               /* actual temperature */
 128         double t_sum;           /* sum over all t */
 129         double t_avg;           /* average value of t */
 130
 131         t_virial gvir;          /* global virial (absolute coordinates) */
 132         double gv;
 133         double gv_sum;
 134         double gv_avg;
 135
 136         double gp;              /* pressure computed from global virial */
 137         double gp_sum;          /* sum over all gp */
 138         double gp_avg;          /* average value of gp */
 139
 140         t_virial vir;           /* actual virial */
 141         double virial;
 142         double virial_sum;      /* sum over all calculated virials */
 143         double virial_avg;      /* average of virial */
 144
 145         double p_ref;           /* reference pressure */
 146         double p;               /* actual pressure (computed by virial) */
 147         double p_sum;           /* sum over all p */
 148         double p_avg;           /* average value of p */
 149
 150         double tp;              /* thermodynamic pressure dU/dV */
 151         double tp_sum;          /* sum over dU/dV pressure */
 152         double tp_avg;          /* average value of dU/dV pressure */
 153         int tp_cnt;             /* how often to do thermodynamic p calc */
 154
 155         /* pressure and temperature control (velocity/volume scaling) */
 156         /* (t_tc in units of tau, p_tc in units of tau * isoth. compressib.) */
 157         unsigned char pt_scale; /* type of p and t scaling */
 158         double t_tc;            /* t berendsen control time constant */
 159         double p_tc;            /* p berendsen control time constant */
 160
 161         /* simulation schedule */
 162         t_moldyn_schedule schedule;
 163         int current;            /* current position in schedule */
 164
 165         /* integration function pointer */
 166         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
 167         int time_steps;         /* amount of iterations */
 168         double tau;             /* delta t */
 169         double time;            /* absolute time */
 170         double tau_square;      /* delta t squared */
 171         int total_steps;        /* total steps */
 172
 173         /* energy */
 174         double energy;          /* potential energy */
 175         double ekin;            /* kinetic energy */
 176
 177         /* energy averages & fluctuations */
 178         double k_sum;           /* sum of kinetic energy */
 179         double v_sum;           /* sum of potential energy */
 180         double k_avg;           /* average of kinetic energy */
 181         double v_avg;           /* average of potential energy */
 182         double k2_sum;          /* sum of kinetic energy squared */
 183         double v2_sum;          /* sum of potential energy squared */
 184         double k2_avg;          /* average of kinetic energy squared */
 185         double v2_avg;          /* average of potential energy squared */
 186         double dk2_avg;         /* mean square kinetic energy fluctuations */
 187         double dv2_avg;         /* mean square potential energy fluctuations */
 188
 189         /* response functions */
 190         double c_v_nve;         /* constant volume heat capacity (nve) */
 191         double c_v_nvt;         /* constant volume heat capacity (nvt) */
 192
 193         char vlsdir[128];       /* visualization/log/save directory */
 194         t_visual vis;           /* visualization interface structure */
 195         u8 vlsprop;             /* log/vis/save properties */
 196         unsigned int ewrite;    /* how often to log energy */
 197         int efd;                /* fd for energy log */
 198         unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
 199         int mfd;                /* fd for momentum log */
 200         unsigned int pwrite;    /* how often to log pressure */
 201         int pfd;                /* fd for pressure log */
 202         unsigned int twrite;    /* how often to log temperature */
 203         int tfd;                /* fd for temperature log */
 204         unsigned int vwrite;    /* how often to log volume */
 205         int vfd;                /* fd for volume log */
 206         unsigned int awrite;    /* how often to visualize atom information */
 207         unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
 208         int rfd;                /* report file descriptor */
 209         char rtitle[64];        /* report title */
 210         char rauthor[64];       /* report author */
 211         int epfd;               /* energy gnuplot script file descriptor */
 212         int ppfd;               /* pressure gnuplot script file descriptor */
 213         int tpfd;               /* temperature gnuplot script file descriptor */
 214
 215         u8 status;              /* general moldyn properties */
 216
 217         t_random random;        /* random interface */
 218
 219         double debug;           /* debugging stuff, ignore */
 220
 221         /* potential 2 body check function */
 222         int (*check_2b_bond)(struct s_moldyn *moldyn,
 223                              t_atom *itom,t_atom *jtom,u8 bc);
 224 } t_moldyn;
 225
 226 typedef struct s_pcc {
 227         int o1;
 228         int o2;
 229         double dr;
 230         double *stat;
 231 } t_pcc;
 232
 233 typedef struct s_ba {
 234         int *acnt;
 235         int *bcnt;
 236         int tcnt;
 237 } t_ba;
 238
 239 /*
 240  *
 241  *  defines
 242  *
 243  */
 244
 245 #define MOLDYN_STAT_PBX                 0x01    /* periodic boudaries in x */
 246 #define MOLDYN_STAT_PBY                 0x02    /* y */
 247 #define MOLDYN_STAT_PBZ                 0x04    /* and z direction */
 248
 249 #define MOLDYN_PSCALE                   0x08    /* size controlled by piston */
 250
 251 #define MOLDYN_1BP                      0x10    /* care about single */
 252 #define MOLDYN_2BP                      0x20    /* 2 body */
 253 #define MOLDYN_3BP                      0x40    /* and 3 body particle pots */
 254
 255 #define T_SCALE_BERENDSEN               0x01    /* berendsen t control */
 256 #define T_SCALE_DIRECT                  0x02    /* direct t control */
 257 #define P_SCALE_BERENDSEN               0x04    /* berendsen p control */
 258 #define P_SCALE_DIRECT                  0x08    /* direct p control */
 259
 260 /*
 261  * default values & units
 262  *
 263  * - length unit: 1 A (1 A = 1e-10 m)
 264  * - time unit: 1 fs (1 fs = 1e-15 s)
 265  * - mass unit: 1 amu (1 amu = 1.6605388628e-27 kg )
 266  *
 267  * fyi: in the following 1 N = (amu*A)/(fs*fs)
 268  *
 269  */
 270
 271 #define METER                           1e10                    /* A */
 272 #define SECOND                          1e15                    /* fs */
 273 #define AMU                             1.6605388628e-27        /* kg */
 274 #define KILOGRAM                        (1.0/AMU)               /* amu */
 275 #define NEWTON  (METER*KILOGRAM/(SECOND*SECOND))        /* A amu / fs^2 */
 276 #define PASCAL  (NEWTON/(METER*METER))                  /* N / A^2 */
 277 #define GPA     (1e9*PASCAL)                            /* N / A^2 */
 278 #define BAR     ((1.0e5*PASCAL))                        /* N / A^2 */
 279 #define K_BOLTZMANN     (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
 280 #define K_B2            (K_BOLTZMANN*K_BOLTZMANN)       /* (NA)^2/K^2 */
 281 #define EV              (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
 282 #define JOULE           (NEWTON*METER)                  /* NA */
 283
 284 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 285 #define MOLDYN_TAU                      1.0
 286 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0
 287 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 288
 289 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 290 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT        MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 291
 292 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 293 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 294 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM             0x02
 295 #define MOLDYN_POTENTIAL_AM             0x03
 296
 297 #define LOG_TOTAL_ENERGY                0x01
 298 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM              0x02
 299 #define LOG_PRESSURE                    0x04
 300 #define LOG_TEMPERATURE                 0x08
 301 #define LOG_VOLUME                      0x10
 302 #define SAVE_STEP                       0x20
 303 #define VISUAL_STEP                     0x40
 304 #define CREATE_REPORT                   0x80
 305
 306 #define TRUE                            1
 307 #define FALSE                           0
 308
 309 #define VERBOSE                         1
 310 #define QUIET                           0
 311
 312 #define SCALE_UP                        'u'
 313 #define SCALE_DOWN                      'd'
 314 #define SCALE_DIRECT                    'D'
 315
 316 /*
 317  * potential related phsical values / constants
 318  *
 319  */
 320
 321 #define ONE_THIRD               (1.0/3.0)
 322
 323 #define C                       0x06
 324 #define LC_C                    3.567                           /* A */
 325 #define M_C                     12.011                          /* amu */
 326
 327 #define SI                      0x0e
 328 #define LC_SI                   5.43105                         /* A */
 329 #define M_SI                    28.08553                        /* amu */
 330
 331 #define LC_3C_SIC               4.3596                          /* A */
 332
 333 #define LJ_SIGMA_SI             ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* A */
 334 //#define LJ_SIGMA_SI           (LC_SI/1.122462)                        /* A */
 335 //#define LJ_SIGMA_SI           (0.5*sqrt(2.0)*LC_SI/1.122462)          /* A */
 336 #define LJ_EPSILON_SI           (2.1678*EV)                             /* NA */
 337
 338 /*
 339  * lattice types
 340  */
 341
 342 #define CUBIC                   0x01
 343 #define FCC                     0x02
 344 #define DIAMOND                 0x04
 345
 346 /*
 347  *
 348  * function prototypes
 349  *
 350  */
 351
 352 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 353 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 354
 355 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 356 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
 357 int set_bondlen(t_moldyn *moldyn,double b0,double b1,double bm);
 358 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t_ref);
 359 int set_pressure(t_moldyn *moldyn,double p_ref);
 360 int set_pt_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc,u8 ttype,double ttc);
 361 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 362 int set_nn_dist(t_moldyn *moldyn,double dist);
 363 int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
 364 int set_potential(t_moldyn *moldyn,u8 type);
 365
 366 int set_avg_skip(t_moldyn *moldyn,int skip);
 367
 368 int moldyn_set_log_dir(t_moldyn *moldyn,char *dir);
 369 int moldyn_set_report(t_moldyn *moldyn,char *author,char *title);
 370 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,int timer);
 371 int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 372
 373 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
 374                    u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c,t_3dvec *origin);
 375 int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 brand,u8 attr,
 376              t_3dvec *r,t_3dvec *v);
 377 int del_atom(t_moldyn *moldyn,int tag);
 378 int cubic_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 379 int fcc_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 380 int diamond_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 381 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 382
 383 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 384 double total_mass_calc(t_moldyn *moldyn);
 385 double temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
 386 double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 387 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 388 double virial_sum(t_moldyn *moldyn);
 389 double pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 390 int average_reset(t_moldyn *moldyn);
 391 int average_and_fluctuation_calc(t_moldyn *moldyn);
 392 int get_heat_capacity(t_moldyn *moldyn);
 393 double thermodynamic_pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 394 double get_pressure(t_moldyn *moldyn);
 395 int scale_volume(t_moldyn *moldyn);
 396 int scale_dim(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 397 int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 398
 399 double e_kin_calc(t_moldyn *moldyn);
 400 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 401 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 402
 403 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 404
 405 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 406 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 407 #ifdef STATIC_LISTS
 408 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int **cell);
 409 #else
 410 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 411 #endif
 412 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 413
 414 typedef int (*set_hook)(void *,void *);
 415
 416 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
 417 int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,set_hook hook,void *hook_params);
 418
 419 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 420 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 421
 422 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
 423 int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d);
 424 //inline int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d)
 425 //      __attribute__((always_inline));
 426 int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 427 //inline int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a)
 428 //      __attribute__((always_inline));
 429
 430 int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
 431
 432 int moldyn_read_save_file(t_moldyn *moldyn,char *file);
 433 int moldyn_free_save_file(t_moldyn *moldyn);
 434 int moldyn_load(t_moldyn *moldyn);
 435 int process_2b_bonds(t_moldyn *moldyn,void *data,
 436                      int (*process)(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 437                                     void *data,u8 bc));
 438 int get_line(int fd,char *line,int max);
 439
 440 int pair_correlation_init(t_moldyn *moldyn,double dr);
 441 int calculate_diffusion_coefficient(t_moldyn *moldyn,double *dc);
 442 int calculate_pair_correlation_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,
 443                                        t_atom *jtom,void *data,u8 bc);
 444 int calculate_pair_correlation(t_moldyn *moldyn,double dr,void *ptr);
 445 int bond_analyze_process(t_moldyn *moldyn,t_atom *itom,t_atom *jtom,
 446                          void *data,u8 bc);
 447 int bond_analyze(t_moldyn *moldyn,double *quality);
 448
 449 int visual_init(t_moldyn *moldyn,char *filebase);
 450 int visual_atoms(t_moldyn *moldyn);
 451
 452 #endif
 453