implemented basic p ctrl stuff + video with 13 fps
[physik/posic.git] / moldyn.h
index 3bc40c0..83b3a86 100644 (file)
--- a/moldyn.h
+++ b/moldyn.h
@@ -33,11 +33,13 @@ typedef struct s_virial {
 
 /* the atom of the md simulation */
 typedef struct s_atom {
+       t_3dvec r_0;            /* initial position */
        t_3dvec r;              /* position */
        t_3dvec v;              /* velocity */
        t_3dvec f;              /* force */
        t_virial virial;        /* virial */
        double e;               /* site energy */
+       double ekin;            /* kinetic energy */
        int element;            /* number of element in pse */
        double mass;            /* atom mass */
        u8 brand;               /* brand id */
@@ -47,6 +49,8 @@ typedef struct s_atom {
 
 #define ATOM_ATTR_FP   0x01    /* fixed position (bulk material) */
 #define ATOM_ATTR_HB   0x02    /* coupled to heat bath (velocity scaling) */
+#define ATOM_ATTR_VA   0x04    /* visualize this atom */
+#define ATOM_ATTR_VB   0x08    /* visualize the bond of this atom */
 
 #define ATOM_ATTR_1BP          0x10    /* single paricle potential */
 #define ATOM_ATTR_2BP          0x20    /* pair potential */
@@ -58,11 +62,15 @@ typedef struct s_linkcell {
        int cells;              /* total amount of cells */
        double len;             /* prefered cell edge length */
        double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
+#ifdef STATIC_LISTS
+       int **subcell;          /* pointer to the cell lists */
+#else
        t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
+#endif
        int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
 } t_linkcell;
 
-#include "visual/visual.h"
+#define MAX_ATOMS_PER_LIST     20
 
 /* moldyn schedule structure */
 typedef struct s_moldyn_schedule {
@@ -74,9 +82,20 @@ typedef struct s_moldyn_schedule {
        void *hook_params;
 } t_moldyn_schedule;
 
+/* visualization structure */
+typedef struct s_visual {
+       int fd;                 /* rasmol script file descriptor */
+       char fb[128];           /* basename of the save files */
+       t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation cell */
+} t_visual;
+
 /* moldyn main structure */
 typedef struct s_moldyn {
+       int argc;               /* number of arguments */
+       char **args;            /* pointer to arguments */
+
        int count;              /* total amount of atoms */
+       double mass;            /* total system mass */
        t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
 
        t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
@@ -98,25 +117,40 @@ typedef struct s_moldyn {
        double cutoff;          /* cutoff radius */
        double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
        double nnd;             /* nearest neighbour distance (optional) */
+       double bondlen[3];      /* bond lengthes (only 2 atomic systems) */
 
        t_linkcell lc;          /* linked cell list interface */
 
+       int avg_skip;           /* amount of steps without average calc */
+
        double t_ref;           /* reference temperature */
        double t;               /* actual temperature */
        double t_sum;           /* sum over all t */
-       double mean_t;          /* mean value of t */
+       double t_avg;           /* average value of t */
+
+       t_virial gvir;          /* global virial (absolute coordinates) */
+       double gv;
+       double gv_sum;
+       double gv_avg;
 
-       t_virial virial;        /* global virial (absolute coordinates) */
        double gp;              /* pressure computed from global virial */
        double gp_sum;          /* sum over all gp */
-       double mean_gp;         /* mean value of gp */
+       double gp_avg;          /* average value of gp */
+
+       t_virial vir;           /* actual virial */
+       double virial;
+       double virial_sum;      /* sum over all calculated virials */
+       double virial_avg;      /* average of virial */
 
        double p_ref;           /* reference pressure */
        double p;               /* actual pressure (computed by virial) */
        double p_sum;           /* sum over all p */
-       double mean_p;          /* mean value of p */
-       t_3dvec tp;             /* thermodynamic pressure dU/dV */
-       double dv;              /* dV for thermodynamic pressure calc */
+       double p_avg;           /* average value of p */
+
+       double tp;              /* thermodynamic pressure dU/dV */
+       double tp_sum;          /* sum over dU/dV pressure */
+       double tp_avg;          /* average value of dU/dV pressure */
+       int tp_cnt;             /* how often to do thermodynamic p calc */
 
        /* pressure and temperature control (velocity/volume scaling) */
        /* (t_tc in units of tau, p_tc in units of tau * isoth. compressib.) */
@@ -136,9 +170,26 @@ typedef struct s_moldyn {
        double tau_square;      /* delta t squared */
        int total_steps;        /* total steps */
 
+       /* energy */
        double energy;          /* potential energy */
        double ekin;            /* kinetic energy */
 
+       /* energy averages & fluctuations */
+       double k_sum;           /* sum of kinetic energy */
+       double v_sum;           /* sum of potential energy */
+       double k_avg;           /* average of kinetic energy */
+       double v_avg;           /* average of potential energy */
+       double k2_sum;          /* sum of kinetic energy squared */
+       double v2_sum;          /* sum of potential energy squared */
+       double k2_avg;          /* average of kinetic energy squared */
+       double v2_avg;          /* average of potential energy squared */
+       double dk2_avg;         /* mean square kinetic energy fluctuations */
+       double dv2_avg;         /* mean square potential energy fluctuations */
+       
+       /* response functions */
+       double c_v_nve;         /* constant volume heat capacity (nve) */
+       double c_v_nvt;         /* constant volume heat capacity (nvt) */
+
        char vlsdir[128];       /* visualization/log/save directory */
        t_visual vis;           /* visualization interface structure */
        u8 vlsprop;             /* log/vis/save properties */
@@ -150,7 +201,9 @@ typedef struct s_moldyn {
        int pfd;                /* fd for pressure log */
        unsigned int twrite;    /* how often to log temperature */
        int tfd;                /* fd for temperature log */
-       unsigned int vwrite;    /* how often to visualize atom information */
+       unsigned int vwrite;    /* how often to log volume */
+       int vfd;                /* fd for volume log */
+       unsigned int awrite;    /* how often to visualize atom information */
        unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
        int rfd;                /* report file descriptor */
        char rtitle[64];        /* report title */
@@ -204,9 +257,12 @@ typedef struct s_moldyn {
 #define KILOGRAM                       (1.0/AMU)               /* amu */
 #define NEWTON (METER*KILOGRAM/(SECOND*SECOND))        /* A amu / fs^2 */
 #define PASCAL (NEWTON/(METER*METER))                  /* N / A^2 */
+#define GPA    (1e9*PASCAL)                            /* N / A^2 */
 #define BAR    ((1.0e5*PASCAL))                        /* N / A^2 */
 #define K_BOLTZMANN    (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
+#define K_B2           (K_BOLTZMANN*K_BOLTZMANN)       /* (NA)^2/K^2 */
 #define EV             (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
+#define JOULE          (NEWTON*METER)                  /* NA */
 
 #define MOLDYN_TEMP                    273.0
 #define MOLDYN_TAU                     1.0
@@ -224,9 +280,10 @@ typedef struct s_moldyn {
 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM             0x02
 #define LOG_PRESSURE                   0x04
 #define LOG_TEMPERATURE                        0x08
-#define SAVE_STEP                      0x10
-#define VISUAL_STEP                    0x20
-#define CREATE_REPORT                  0x40
+#define LOG_VOLUME                     0x10
+#define SAVE_STEP                      0x20
+#define VISUAL_STEP                    0x40
+#define CREATE_REPORT                  0x80
 
 #define TRUE                           1
 #define FALSE                          0
@@ -234,6 +291,10 @@ typedef struct s_moldyn {
 #define VERBOSE                                1
 #define QUIET                          0
 
+#define SCALE_UP                       'u'
+#define SCALE_DOWN                     'd'
+#define SCALE_DIRECT                   'D'
+
 /*
  * potential related phsical values / constants
  *
@@ -242,38 +303,38 @@ typedef struct s_moldyn {
 #define ONE_THIRD              (1.0/3.0)
 
 #define C                      0x06
-#define LC_C                   (0.3567e-9*METER)               /* A */
+#define LC_C                   3.567                           /* A */
 #define M_C                    12.011                          /* amu */
 
 #define SI                     0x0e
-#define LC_SI                  (0.543105e-9*METER)             /* A */
+#define LC_SI                  5.43105                         /* A */
 #define M_SI                   28.08553                        /* amu */
 
-#define LC_3C_SIC              (0.43596e-9*METER)              /* A */
+#define LC_3C_SIC              4.3596                          /* A */
 
 #define LJ_SIGMA_SI            ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* A */
 //#define LJ_SIGMA_SI          (LC_SI/1.122462)                        /* A */
-//#define LJ_SIGMA_SI          (0.5*sqrt(2.0)*LC_SI/1.122462)                  /* A */
+//#define LJ_SIGMA_SI          (0.5*sqrt(2.0)*LC_SI/1.122462)          /* A */
 #define LJ_EPSILON_SI          (2.1678*EV)                             /* NA */
 
-#define TM_R_SI                        (2.7e-10*METER)                 /* A */
-#define TM_S_SI                        (3.0e-10*METER)                 /* A */
+#define TM_R_SI                        2.7                             /* A */
+#define TM_S_SI                        3.0                             /* A */
 #define TM_A_SI                        (1830.8*EV)                     /* NA */
 #define TM_B_SI                        (471.18*EV)                     /* NA */
-#define TM_LAMBDA_SI           (2.4799e10/METER)               /* 1/A */
-#define TM_MU_SI               (1.7322e10/METER)               /* 1/A */
+#define TM_LAMBDA_SI           2.4799                          /* 1/A */
+#define TM_MU_SI               1.7322                          /* 1/A */
 #define TM_BETA_SI             1.1000e-6
 #define TM_N_SI                        0.78734
 #define TM_C_SI                        1.0039e5
 #define TM_D_SI                        16.217
 #define TM_H_SI                        -0.59825
 
-#define TM_R_C                 (1.8e-10*METER)                 /* A */
-#define TM_S_C                 (2.1e-10*METER)                 /* A */
+#define TM_R_C                 1.8                             /* A */
+#define TM_S_C                 2.1                             /* A */
 #define TM_A_C                 (1393.6*EV)                     /* NA */
 #define TM_B_C                 (346.7*EV)                      /* NA */
-#define TM_LAMBDA_C            (3.4879e10/METER)               /* 1/A */
-#define TM_MU_C                        (2.2119e10/METER)               /* 1/A */
+#define TM_LAMBDA_C            3.4879                          /* 1/A */
+#define TM_MU_C                        2.2119                          /* 1/A */
 #define TM_BETA_C              1.5724e-7
 #define TM_N_C                 0.72751
 #define TM_C_C                 3.8049e4
@@ -282,17 +343,59 @@ typedef struct s_moldyn {
 
 #define TM_CHI_SIC             0.9776
 
-#define TM_LC_3C_SIC           (0.432e-9*METER)                /* A */
+#define TM_LC_SIC              4.32                            /* A */
+
+#define ALBE_R_SI              (2.82-0.14)
+#define ALBE_S_SI              (2.82+0.14)
+#define ALBE_A_SI              (3.24*EV/0.842)
+#define ALBE_B_SI              (-1.842*3.24*EV/0.842)
+#define ALBE_R0_SI             2.232
+#define ALBE_LAMBDA_SI         (1.4761*sqrt(2.0*1.842))
+#define ALBE_MU_SI             (1.4761*sqrt(2.0/1.842))
+#define ALBE_GAMMA_SI          0.114354
+#define ALBE_C_SI              2.00494
+#define ALBE_D_SI              0.81472
+#define ALBE_H_SI              0.259
+
+#define ALBE_LC_SI             5.429
+
+#define ALBE_R_C               (2.00-0.15)
+#define ALBE_S_C               (2.00+0.15)
+#define ALBE_A_C               (6.00*EV/1.167)
+#define ALBE_B_C               (-2.167*6.00*EV/1.167)
+#define ALBE_R0_C              1.4276
+#define ALBE_LAMBDA_C          (2.0099*sqrt(2.0*2.167))
+#define ALBE_MU_C              (2.0099*sqrt(2.0/2.167))
+#define ALBE_GAMMA_C           0.11233
+#define ALBE_C_C               181.910
+#define ALBE_D_C               6.28433
+#define ALBE_H_C               0.5556
+
+#define ALBE_LC_C              3.566
+
+#define ALBE_R_SIC             (2.40-0.20)
+#define ALBE_S_SIC             (2.40+0.20)
+#define ALBE_A_SIC             (4.36*EV/0.847)
+#define ALBE_B_SIC             (-1.847*4.36*EV/0.847)
+#define ALBE_R0_SIC            1.79
+#define ALBE_LAMBDA_SIC                (1.6991*sqrt(2.0*1.847))
+#define ALBE_MU_SIC            (1.6991*sqrt(2.0/1.847))
+#define ALBE_GAMMA_SIC         0.011877
+#define ALBE_C_SIC             273987
+#define ALBE_D_SIC             180.314
+#define ALBE_H_SIC             0.68
+
+#define ALBE_LC_SIC            4.359
+
 
 /*
- * lattice constants
+ * lattice types
  */
 
 #define CUBIC                  0x01
 #define FCC                    0x02
 #define DIAMOND                        0x04
 
-
 /*
  *
  * function prototypes
@@ -308,6 +411,7 @@ int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 
 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
+int set_bondlen(t_moldyn *moldyn,double b0,double b1,double bm);
 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t_ref);
 int set_pressure(t_moldyn *moldyn,double p_ref);
 int set_pt_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc,u8 ttype,double ttc);
@@ -323,6 +427,8 @@ int set_potential3b_k1(t_moldyn *moldyn,pf_func3b func);
 int set_potential3b_k2(t_moldyn *moldyn,pf_func3b func);
 int set_potential_params(t_moldyn *moldyn,void *params);
 
+int set_avg_skip(t_moldyn *moldyn,int skip);
+
 int moldyn_set_log_dir(t_moldyn *moldyn,char *dir);
 int moldyn_set_report(t_moldyn *moldyn,char *author,char *title);
 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,int timer);
@@ -330,23 +436,29 @@ int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 
 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
                    u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c,t_3dvec *origin);
+int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 brand,u8 attr,
+             t_3dvec *r,t_3dvec *v);
+int del_atom(t_moldyn *moldyn,int tag);
 int cubic_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 int fcc_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 int diamond_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
-int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 brand,u8 attr,
-             t_3dvec *r,t_3dvec *v);
 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 
 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
+double total_mass_calc(t_moldyn *moldyn);
 double temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
 double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
+double virial_sum(t_moldyn *moldyn);
 double pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
+int average_reset(t_moldyn *moldyn);
+int average_and_fluctuation_calc(t_moldyn *moldyn);
+int get_heat_capacity(t_moldyn *moldyn);
 double thermodynamic_pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 double get_pressure(t_moldyn *moldyn);
 int scale_volume(t_moldyn *moldyn);
-int scale_dim(t_moldyn *moldyn,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
-int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
+int scale_dim(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
+int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 
 double e_kin_calc(t_moldyn *moldyn);
 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
@@ -356,7 +468,11 @@ double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 
 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
+#ifdef STATIC_LISTS
+int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int **cell);
+#else
 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
+#endif
 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 
 typedef int (*set_hook)(void *,void *);
@@ -377,4 +493,16 @@ int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 
 int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
 
+int moldyn_read_save_file(t_moldyn *moldyn,char *file);
+int moldyn_load(t_moldyn *moldyn);
+int get_line(int fd,char *line,int max);
+
+int pair_correlation_init(t_moldyn *moldyn,double dr);
+int calculate_diffusion_coefficient(t_moldyn *moldyn,double *dc);
+int calculate_pair_correlation(t_moldyn *moldyn,double dr,void *ptr);
+
+int visual_init(t_moldyn *moldyn,char *filebase);
+int visual_atoms(t_moldyn *moldyn);
+
 #endif
+