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 } t_moldyn;
 221
 222 /*
 223  *
 224  *  defines
 225  *
 226  */
 227
 228 #define MOLDYN_STAT_PBX                 0x01    /* periodic boudaries in x */
 229 #define MOLDYN_STAT_PBY                 0x02    /* y */
 230 #define MOLDYN_STAT_PBZ                 0x04    /* and z direction */
 231
 232 #define MOLDYN_PSCALE                   0x08    /* size controlled by piston */
 233
 234 #define MOLDYN_1BP                      0x10    /* care about single */
 235 #define MOLDYN_2BP                      0x20    /* 2 body */
 236 #define MOLDYN_3BP                      0x40    /* and 3 body particle pots */
 237
 238 #define T_SCALE_BERENDSEN               0x01    /* berendsen t control */
 239 #define T_SCALE_DIRECT                  0x02    /* direct t control */
 240 #define P_SCALE_BERENDSEN               0x04    /* berendsen p control */
 241 #define P_SCALE_DIRECT                  0x08    /* direct p control */
 242
 243 /*
 244  * default values & units
 245  *
 246  * - length unit: 1 A (1 A = 1e-10 m)
 247  * - time unit: 1 fs (1 fs = 1e-15 s)
 248  * - mass unit: 1 amu (1 amu = 1.6605388628e-27 kg )
 249  *
 250  * fyi: in the following 1 N = (amu*A)/(fs*fs)
 251  *
 252  */
 253
 254 #define METER                           1e10                    /* A */
 255 #define SECOND                          1e15                    /* fs */
 256 #define AMU                             1.6605388628e-27        /* kg */
 257 #define KILOGRAM                        (1.0/AMU)               /* amu */
 258 #define NEWTON  (METER*KILOGRAM/(SECOND*SECOND))        /* A amu / fs^2 */
 259 #define PASCAL  (NEWTON/(METER*METER))                  /* N / A^2 */
 260 #define GPA     (1e9*PASCAL)                            /* N / A^2 */
 261 #define BAR     ((1.0e5*PASCAL))                        /* N / A^2 */
 262 #define K_BOLTZMANN     (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
 263 #define K_B2            (K_BOLTZMANN*K_BOLTZMANN)       /* (NA)^2/K^2 */
 264 #define EV              (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
 265 #define JOULE           (NEWTON*METER)                  /* NA */
 266
 267 #define MOLDYN_TEMP                     273.0
 268 #define MOLDYN_TAU                      1.0
 269 #define MOLDYN_CUTOFF                   10.0
 270 #define MOLDYN_RUNS                     1000000
 271
 272 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET         0x00
 273 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT        MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 274
 275 #define MOLDYN_POTENTIAL_HO             0x00
 276 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ             0x01
 277 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM             0x02
 278
 279 #define LOG_TOTAL_ENERGY                0x01
 280 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM              0x02
 281 #define LOG_PRESSURE                    0x04
 282 #define LOG_TEMPERATURE                 0x08
 283 #define LOG_VOLUME                      0x10
 284 #define SAVE_STEP                       0x20
 285 #define VISUAL_STEP                     0x40
 286 #define CREATE_REPORT                   0x80
 287
 288 #define TRUE                            1
 289 #define FALSE                           0
 290
 291 #define VERBOSE                         1
 292 #define QUIET                           0
 293
 294 #define SCALE_UP                        'u'
 295 #define SCALE_DOWN                      'd'
 296 #define SCALE_DIRECT                    'D'
 297
 298 /*
 299  * potential related phsical values / constants
 300  *
 301  */
 302
 303 #define ONE_THIRD               (1.0/3.0)
 304
 305 #define C                       0x06
 306 #define LC_C                    3.567                           /* A */
 307 #define M_C                     12.011                          /* amu */
 308
 309 #define SI                      0x0e
 310 #define LC_SI                   5.43105                         /* A */
 311 #define M_SI                    28.08553                        /* amu */
 312
 313 #define LC_3C_SIC               4.3596                          /* A */
 314
 315 #define LJ_SIGMA_SI             ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* A */
 316 //#define LJ_SIGMA_SI           (LC_SI/1.122462)                        /* A */
 317 //#define LJ_SIGMA_SI           (0.5*sqrt(2.0)*LC_SI/1.122462)          /* A */
 318 #define LJ_EPSILON_SI           (2.1678*EV)                             /* NA */
 319
 320 #define TM_R_SI                 2.7                             /* A */
 321 #define TM_S_SI                 3.0                             /* A */
 322 #define TM_A_SI                 (1830.8*EV)                     /* NA */
 323 #define TM_B_SI                 (471.18*EV)                     /* NA */
 324 #define TM_LAMBDA_SI            2.4799                          /* 1/A */
 325 #define TM_MU_SI                1.7322                          /* 1/A */
 326 #define TM_BETA_SI              1.1000e-6
 327 #define TM_N_SI                 0.78734
 328 #define TM_C_SI                 1.0039e5
 329 #define TM_D_SI                 16.217
 330 #define TM_H_SI                 -0.59825
 331
 332 #define TM_R_C                  1.8                             /* A */
 333 #define TM_S_C                  2.1                             /* A */
 334 #define TM_A_C                  (1393.6*EV)                     /* NA */
 335 #define TM_B_C                  (346.7*EV)                      /* NA */
 336 #define TM_LAMBDA_C             3.4879                          /* 1/A */
 337 #define TM_MU_C                 2.2119                          /* 1/A */
 338 #define TM_BETA_C               1.5724e-7
 339 #define TM_N_C                  0.72751
 340 #define TM_C_C                  3.8049e4
 341 #define TM_D_C                  4.384
 342 #define TM_H_C                  -0.57058
 343
 344 #define TM_CHI_SIC              0.9776
 345
 346 #define TM_LC_SIC               4.32                            /* A */
 347
 348 #define ALBE_R_SI               (2.82-0.14)
 349 #define ALBE_S_SI               (2.82+0.14)
 350 #define ALBE_A_SI               (3.24*EV/0.842)
 351 #define ALBE_B_SI               (-1.842*3.24*EV/0.842)
 352 #define ALBE_R0_SI              2.232
 353 #define ALBE_LAMBDA_SI          (1.4761*sqrt(2.0*1.842))
 354 #define ALBE_MU_SI              (1.4761*sqrt(2.0/1.842))
 355 #define ALBE_GAMMA_SI           0.114354
 356 #define ALBE_C_SI               2.00494
 357 #define ALBE_D_SI               0.81472
 358 #define ALBE_H_SI               0.259
 359
 360 #define ALBE_LC_SI              5.429
 361
 362 #define ALBE_R_C                (2.00-0.15)
 363 #define ALBE_S_C                (2.00+0.15)
 364 #define ALBE_A_C                (6.00*EV/1.167)
 365 #define ALBE_B_C                (-2.167*6.00*EV/1.167)
 366 #define ALBE_R0_C               1.4276
 367 #define ALBE_LAMBDA_C           (2.0099*sqrt(2.0*2.167))
 368 #define ALBE_MU_C               (2.0099*sqrt(2.0/2.167))
 369 #define ALBE_GAMMA_C            0.11233
 370 #define ALBE_C_C                181.910
 371 #define ALBE_D_C                6.28433
 372 #define ALBE_H_C                0.5556
 373
 374 #define ALBE_LC_C               3.566
 375
 376 #define ALBE_R_SIC              (2.40-0.20)
 377 #define ALBE_S_SIC              (2.40+0.20)
 378 #define ALBE_A_SIC              (4.36*EV/0.847)
 379 #define ALBE_B_SIC              (-1.847*4.36*EV/0.847)
 380 #define ALBE_R0_SIC             1.79
 381 #define ALBE_LAMBDA_SIC         (1.6991*sqrt(2.0*1.847))
 382 #define ALBE_MU_SIC             (1.6991*sqrt(2.0/1.847))
 383 #define ALBE_GAMMA_SIC          0.011877
 384 #define ALBE_C_SIC              273987
 385 #define ALBE_D_SIC              180.314
 386 #define ALBE_H_SIC              0.68
 387
 388 #define ALBE_LC_SIC             4.359
 389
 390
 391 /*
 392  * lattice types
 393  */
 394
 395 #define CUBIC                   0x01
 396 #define FCC                     0x02
 397 #define DIAMOND                 0x04
 398
 399 /*
 400  *
 401  * function prototypes
 402  *
 403  */
 404
 405 typedef int (*pf_func1b)(t_moldyn *,t_atom *);
 406 typedef int (*pf_func2b)(t_moldyn *,t_atom *,t_atom *,u8);
 407 typedef int (*pf_func3b)(t_moldyn *,t_atom *,t_atom *,t_atom *,u8);
 408
 409 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 410 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 411
 412 int set_int_alg(t_moldyn *moldyn,u8 algo);
 413 int set_cutoff(t_moldyn *moldyn,double cutoff);
 414 int set_bondlen(t_moldyn *moldyn,double b0,double b1,double bm);
 415 int set_temperature(t_moldyn *moldyn,double t_ref);
 416 int set_pressure(t_moldyn *moldyn,double p_ref);
 417 int set_pt_scale(t_moldyn *moldyn,u8 ptype,double ptc,u8 ttype,double ttc);
 418 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 419 int set_nn_dist(t_moldyn *moldyn,double dist);
 420 int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
 421 int set_potential1b(t_moldyn *moldyn,pf_func1b func);
 422 int set_potential2b(t_moldyn *moldyn,pf_func2b func);
 423 int set_potential3b_j1(t_moldyn *moldyn,pf_func2b func);
 424 int set_potential3b_j2(t_moldyn *moldyn,pf_func2b func);
 425 int set_potential3b_j3(t_moldyn *moldyn,pf_func2b func);
 426 int set_potential3b_k1(t_moldyn *moldyn,pf_func3b func);
 427 int set_potential3b_k2(t_moldyn *moldyn,pf_func3b func);
 428 int set_potential_params(t_moldyn *moldyn,void *params);
 429
 430 int set_avg_skip(t_moldyn *moldyn,int skip);
 431
 432 int moldyn_set_log_dir(t_moldyn *moldyn,char *dir);
 433 int moldyn_set_report(t_moldyn *moldyn,char *author,char *title);
 434 int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,int timer);
 435 int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 436
 437 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
 438                    u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c,t_3dvec *origin);
 439 int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 brand,u8 attr,
 440              t_3dvec *r,t_3dvec *v);
 441 int del_atom(t_moldyn *moldyn,int tag);
 442 int cubic_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 443 int fcc_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 444 int diamond_init(int a,int b,int c,double lc,t_atom *atom,t_3dvec *origin);
 445 int destroy_atoms(t_moldyn *moldyn);
 446
 447 int thermal_init(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 448 double total_mass_calc(t_moldyn *moldyn);
 449 double temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
 450 double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 451 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
 452 double virial_sum(t_moldyn *moldyn);
 453 double pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 454 int average_reset(t_moldyn *moldyn);
 455 int average_and_fluctuation_calc(t_moldyn *moldyn);
 456 int get_heat_capacity(t_moldyn *moldyn);
 457 double thermodynamic_pressure_calc(t_moldyn *moldyn);
 458 double get_pressure(t_moldyn *moldyn);
 459 int scale_volume(t_moldyn *moldyn);
 460 int scale_dim(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 461 int scale_atoms(t_moldyn *moldyn,u8 dir,double scale,u8 x,u8 y,u8 z);
 462
 463 double e_kin_calc(t_moldyn *moldyn);
 464 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 465 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 466
 467 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 468
 469 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 470 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 471 #ifdef STATIC_LISTS
 472 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,int **cell);
 473 #else
 474 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 475 #endif
 476 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 477
 478 typedef int (*set_hook)(void *,void *);
 479
 480 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
 481 int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,set_hook hook,void *hook_params);
 482
 483 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 484 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 485
 486 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
 487 int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d);
 488 //inline int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d)
 489 //      __attribute__((always_inline));
 490 int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
 491 //inline int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a)
 492 //      __attribute__((always_inline));
 493
 494 int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
 495
 496 int moldyn_read_save_file(t_moldyn *moldyn,char *file);
 497 int moldyn_load(t_moldyn *moldyn);
 498 int get_line(int fd,char *line,int max);
 499
 500 int pair_correlation_init(t_moldyn *moldyn,double dr);
 501 int calculate_diffusion_coefficient(t_moldyn *moldyn,double *dc);
 502 int calculate_pair_correlation(t_moldyn *moldyn,double dr,void *ptr);
 503
 504 int visual_init(t_moldyn *moldyn,char *filebase);
 505 int visual_atoms(t_moldyn *moldyn);
 506
 507 #endif
 508