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         t_3dvec dr;     /* delta r for verlet list updates */
  22         int element;    /* number of element in pse */
  23         double mass;    /* atom mass */
  24         t_list verlet;  /* verlet neighbour list */
  25 } t_atom;
  26
  27 typedef struct s_linkcell {
  28         int nx,ny,nz;
  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         double (*potential)(struct s_moldyn *moldyn);
  42         int (*force)(struct s_moldyn *moldyn);
  43         void *pot_params;
  44         /* cut off radius, verlet list & co */
  45         double cutoff;
  46         double cutoff_square;
  47         double r_verlet;
  48         double dr_max1;
  49         double dr_max2;
  50         /* linked list / cell method */
  51         t_linkcell lc;
  52         /* temperature */
  53         double t;
  54         /* integration of newtons equations */
  55         int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
  56         int time_steps;
  57         double tau;
  58         /* logging & visualization */
  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 } t_moldyn;
  78
  79 typedef struct s_ho_params {
  80         double spring_constant;
  81         double equilibrium_distance;
  82 } t_ho_params;
  83
  84 typedef struct s_lj_params {
  85         double sigma6;
  86         double sigma12;
  87         double epsilon4;
  88 } t_lj_params;
  89
  90 /*
  91  *  defines
  92  */
  93
  94 /* general defines */
  95
  96 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_E           0x01
  97 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_M           0x02
  98 #define MOLDYN_LVSTAT_SAVE              0x04
  99 #define MOLDYN_LVSTAT_DUMP              0x08
 100 #define MOLDYN_LVSTAT_VISUAL            0x10
 101 #define MOLDYN_LVSTAT_INITIALIZED       0x80
 102
 103 #define MOLDYN_STAT_POTENTIAL           0x01
 104 #define MOLDYN_STAT_FORCE               0x02
 105
 106 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 107 #define MOLDYN_TAU                      1.0e-15
 108 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 109
 110 /* phsical values */
 111
 112 #define K_BOLTZMANN             1.3807e-27                      /* Nm/K */
 113 #define AMU                     1.660540e-27                    /* kg */
 114
 115 #define FCC                     0x01
 116 #define DIAMOND                 0x02
 117
 118 #define C                       0x06
 119 #define M_C                     (12.011*AMU)
 120
 121 #define SI                      0x0e
 122 #define LC_SI                   0.543105e-9                             /* m */
 123 #define M_SI                    (28.085*AMU)                            /* kg */
 124 #define LJ_SIGMA_SI             ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* m */
 125 #define LJ_EPSILON_SI           (2.1678*1.60e-19)                       /* Nm */
 126
 127 /* function prototypes */
 128
 129 int moldyn_usage(char **argv);
 130 int moldyn_parse_argv(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 131 int moldyn_log_init(t_moldyn *moldyn,void *v);
 132 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 133
 134 int create_lattice(unsigned char type,int element,double mass,double lc,
 135                    int a,int b,int c,t_atom **atom);
 136 int destroy_lattice(t_atom *atom);
 137 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,t_random *random,int count);
 138 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,int count);
 139 double get_e_kin(t_atom *atom,int count);
 140 double get_e_pot(t_moldyn *moldyn);
 141 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 142 t_3dvec get_total_p(t_atom *atom,int count);
 143
 144 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist,double t);
 145
 146 int verlet_list_init(t_moldyn *moldyn);
 147 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn);
 148 int verlet_list_update(t_moldyn *moldyn);
 149 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 150 int verlet_list_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 151 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 152
 153 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 154 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 155
 156 double potential_harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn);
 157 int force_harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn);
 158 double potential_lennard_jones(t_moldyn *moldyn);
 159 int force_lennard_jones(t_moldyn *moldyn);
 160
 161 #endif