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 /*
  93  *  defines
  94  */
  95
  96 /* general defines */
  97
  98 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_E           0x01
  99 #define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_M           0x02
 100 #define MOLDYN_LVSTAT_SAVE              0x04
 101 #define MOLDYN_LVSTAT_DUMP              0x08
 102 #define MOLDYN_LVSTAT_VISUAL            0x10
 103 #define MOLDYN_LVSTAT_INITIALIZED       0x80
 104
 105 #define MOLDYN_STAT_POTENTIAL           0x01
 106 #define MOLDYN_STAT_FORCE               0x02
 107
 108 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 109 #define MOLDYN_TAU                      1.0e-15
 110 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0e-9
 111 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 112
 113 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 114 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 115
 116 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 117 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 118 #define MOLDYN_POTENTIAL_DEFAULT MOLDYN_POTENTIAL_LJ
 119
 120 /* phsical values */
 121
 122 #define K_BOLTZMANN             1.3807e-27                      /* Nm/K */
 123 #define AMU                     1.660540e-27                    /* kg */
 124
 125 #define FCC                     0x01
 126 #define DIAMOND                 0x02
 127
 128 #define C                       0x06
 129 #define M_C                     (12.011*AMU)
 130
 131 #define SI                      0x0e
 132 #define LC_SI                   0.543105e-9                             /* m */
 133 #define M_SI                    (28.085*AMU)                            /* kg */
 134 #define LJ_SIGMA_SI             ((0.20*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* m */
 135 #define LJ_EPSILON_SI           (2.1678*1.60e-19)                       /* Nm */
 136
 137 /* function prototypes */
 138
 139 int moldyn_usage(char **argv);
 140 int moldyn_parse_argv(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 141 int moldyn_log_init(t_moldyn *moldyn);
 142 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 143 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 144
 145 int create_lattice(unsigned char type,int element,double mass,double lc,
 146                    int a,int b,int c,t_atom **atom);
 147 int destroy_lattice(t_atom *atom);
 148 int thermal_init(t_moldyn *moldyn);
 149 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn);
 150 double get_e_kin(t_atom *atom,int count);
 151 double get_e_pot(t_moldyn *moldyn);
 152 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 153 t_3dvec get_total_p(t_atom *atom,int count);
 154
 155 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist,double t);
 156
 157 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn);
 158 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 159 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 160 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 161
 162 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 163 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 164
 165 int harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn);
 166 int lennard_jones(t_moldyn *moldyn);
 167
 168 #endif