create_lattice fixes, still virial probs ...
[physik/posic.git] / moldyn.h
index 09471a1..3c53a86 100644 (file)
--- a/moldyn.h
+++ b/moldyn.h
@@ -12,7 +12,6 @@
 #include "random/random.h"
 #include "list/list.h"
 
-
 /*
  * 
  * datatypes
 /* general */
 typedef unsigned char u8;
 
+/* virial */
+typedef struct s_virial {
+       double xx;      /*                      | xx     xy     xz |    */
+       double yy;      /*      V       =       | yx     yy     yz |    */
+       double zz;      /*                      | zx     zy     zz |    */
+       double xy;      /*                                              */
+       double xz;      /*      with:   xy=yx, xz=zx, yz=zy             */
+       double yz;      /*                                              */
+} t_virial;
+
 /* the atom of the md simulation */
 typedef struct s_atom {
        t_3dvec r;              /* position */
        t_3dvec v;              /* velocity */
        t_3dvec f;              /* force */
+       t_virial virial;        /* virial */
+       double e;               /* site energy */
        int element;            /* number of element in pse */
        double mass;            /* atom mass */
-       u8 bnum;                /* brand number */
+       u8 brand;               /* brand id */
+       int tag;                /* atom unique id (number of atom) */
        u8 attr;                /* attributes */
 } t_atom;
 
@@ -48,17 +60,17 @@ typedef struct s_linkcell {
        double x,y,z;           /* the actual cell lengthes */
        t_list *subcell;        /* pointer to the cell lists */
        int dnlc;               /* direct neighbour lists counter */
-       int countn;             /* amount of neighbours */
 } t_linkcell;
 
 #include "visual/visual.h"
 
 /* moldyn schedule structure */
 typedef struct s_moldyn_schedule {
-       int content_count;
+       int count;
+       int total_sched;
        int *runs;
        double *tau;
-       int (*hook)(void *moldyn,void *hook);
+       int (*hook)(void *moldyn,void *hook_params);
        void *hook_params;
 } t_moldyn_schedule;
 
@@ -68,13 +80,13 @@ typedef struct s_moldyn {
        t_atom *atom;           /* pointer to the atoms */
 
        t_3dvec dim;            /* dimensions of the simulation volume */
+       double volume;          /* volume of sim cell (dim.x*dim.y*dim.z) */
 
        /* potential force function and parameter pointers */
        int (*func1b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
        void *pot1b_params;
        int (*func2b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
-       void (*func2b_post)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,
-                           u8 bc);
+       int (*func2b_post)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
        void *pot2b_params;
        int (*func3b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,
                      u8 bck);
@@ -91,9 +103,12 @@ typedef struct s_moldyn {
        double t;               /* actual temperature */
 
        double p_ref;           /* reference pressure */
-       double p;               /* actual pressure */
+       double p;               /* actual pressure (computed by virial) */
+       t_3dvec tp;             /* thermodynamic pressure dU/dV */
+       double dv;              /* dV for thermodynamic pressure calc */
 
        /* pressure and temperature control (velocity/volume scaling) */
+       /* (t_tc in units of tau, p_tc in units of tau * isoth. compressib.) */
        unsigned char pt_scale; /* type of p and t scaling */
        double t_tc;            /* t berendsen control time constant */
        double p_tc;            /* p berendsen control time constant */
@@ -113,37 +128,42 @@ typedef struct s_moldyn {
        double energy;          /* potential energy */
        double ekin;            /* kinetic energy */
 
-       t_visual vis;           /* visualization/log/save interface structure */
-       u8 lvstat;              /* log & vis properties */
+       char vlsdir[128];       /* visualization/log/save directory */
+       t_visual vis;           /* visualization interface structure */
+       u8 vlsprop;             /* log/vis/save properties */
        unsigned int ewrite;    /* how often to log energy */
        int efd;                /* fd for energy log */
        unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
        int mfd;                /* fd for momentum log */
        unsigned int vwrite;    /* how often to visualize atom information */
-       char vfb[64];           /* visualization file name base */
-       //void *visual;         /* pointer (hack!) */
        unsigned int swrite;    /* how often to create a save file */
-       char sfb[64];           /* visualization file name base */
+       int rfd;                /* report file descriptor */
+       char rtitle[64];        /* report title */
+       char rauthor[64];       /* report author */
+       int pfd;                /* gnuplot script file descriptor */
 
        u8 status;              /* general moldyn properties */
 
        t_random random;        /* random interface */
+
+       double debug;           /* debugging stuff, ignore */
 } t_moldyn;
 
-#define MOLDYN_STAT_PBX                        0x08    /* periodic boudaries in x */
-#define MOLDYN_STAT_PBY                        0x10    /* y */
-#define MOLDYN_STAT_PBZ                        0x20    /* and z direction */
+#define MOLDYN_STAT_PBX                        0x01    /* periodic boudaries in x */
+#define MOLDYN_STAT_PBY                        0x02    /* y */
+#define MOLDYN_STAT_PBZ                        0x04    /* and z direction */
+
+#define MOLDYN_PSCALE                  0x08    /* size controlled by piston */
 
-#define MOLDYN_1BP                     0x00    /* care about single */
-#define MOLDYN_2BP                     0x01    /* 2 body */
-#define MOLDYN_3BP                     0x02    /* and 3 body particle pots */
+#define MOLDYN_1BP                     0x10    /* care about single */
+#define MOLDYN_2BP                     0x20    /* 2 body */
+#define MOLDYN_3BP                     0x40    /* and 3 body particle pots */
 
 #define T_SCALE_BERENDSEN              0x01    /* berendsen t control */
 #define T_SCALE_DIRECT                 0x02    /* direct t control */
 #define P_SCALE_BERENDSEN              0x04    /* berendsen p control */
 #define P_SCALE_DIRECT                 0x08    /* direct p control */
 
-
 /*
  *
  * potential parameter structures
@@ -167,6 +187,7 @@ typedef struct s_lj_params {
        double sigma6;
        double sigma12;
        double epsilon4;
+       double uc;
 } t_lj_params;
 
 /*
@@ -179,35 +200,48 @@ typedef struct s_tersoff_exchange {
        double f_a,df_a;
 
        t_3dvec dist_ij;
-       double d_ij;
        double d_ij2;
+       double d_ij;
 
        double chi;
 
-       double *beta;
-       double *n;
-       double *c;
-       double *d;
-       double *h;
-
-       double c2;
-       double d2;
-       double c2d2;
-       double betan;
-       double n_betan;
+       double *beta_i;
+       double *beta_j;
+       double *n_i;
+       double *n_j;
+       double *c_i;
+       double *c_j;
+       double *d_i;
+       double *d_j;
+       double *h_i;
+       double *h_j;
+
+       double ci2;
+       double cj2;
+       double di2;
+       double dj2;
+       double ci2di2;
+       double cj2dj2;
+       double betaini;
+       double betajnj;
 
        u8 run3bp;
+       u8 run2bp_post;
+       u8 d_ij_between_rs;
 
-       t_3dvec db_ij;
-       double sum1_3bp;
-       double sum2_3bp;
+       double zeta_ij;
+       double zeta_ji;
+       t_3dvec dzeta_ij;
+       t_3dvec dzeta_ji;
 } t_tersoff_exchange;
 
-/* tersoff multi (2!) potential parameters */
+/* tersoff mult (2!) potential parameters */
 typedef struct s_tersoff_mult_params {
        double S[2];            /* tersoff cutoff radii */
+       double S2[2];           /* tersoff cutoff radii squared */
        double R[2];            /* tersoff cutoff radii */
        double Smixed;          /* mixed S radius */
+       double S2mixed;         /* mixed S radius squared */
        double Rmixed;          /* mixed R radius */
        double A[2];            /* factor of tersoff attractive part */
        double B[2];            /* factor of tersoff repulsive part */
@@ -237,15 +271,32 @@ typedef struct s_tersoff_mult_params {
  *
  */
 
-/* default values */
+#define ONE_THIRD      (1.0/3.0)
+
+/*
+ * default values
+ *
+ * - length unit: 1 A (1 A = 1e-10 m)
+ * - time unit: 1 fs (1 fs = 1e-15 s)
+ * - mass unit: 1 amu (1 amu = 1.6605388628e-27 kg )
+ *
+ * fyi: in the following 1 N = (amu*A)/(fs*fs)
+ *
+ */
+
+#define METER                          1e10                    /* A */
+#define SECOND                         1e15                    /* fs */
+#define AMU                            1.6605388628e-27        /* kg */
+#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 ATM    ((1.0133e5*PASCAL))                     /* N / A^2 */
 
 #define MOLDYN_TEMP                    273.0
-#define MOLDYN_TAU                     1.0e-15
-#define MOLDYN_CUTOFF                  1.0e-9
+#define MOLDYN_TAU                     1.0
+#define MOLDYN_CUTOFF                  10.0
 #define MOLDYN_RUNS                    1000000
 
-#define MOLDYN_CRITICAL_EST_TEMP       5.0
-
 #define MOLDYN_INTEGRATE_VERLET                0x00
 #define MOLDYN_INTEGRATE_DEFAULT       MOLDYN_INTEGRATE_VERLET
 
@@ -257,58 +308,70 @@ typedef struct s_tersoff_mult_params {
 #define LOG_TOTAL_MOMENTUM             0x02
 #define SAVE_STEP                      0x04
 #define VISUAL_STEP                    0x08
+#define CREATE_REPORT                  0x10
 
 #define TRUE                           1
 #define FALSE                          0
 
+#define VERBOSE                                1
+#define QUIET                          0
+
 /*
  *
  * phsical values / constants
  *
+ *
  */
 
-#define K_BOLTZMANN            1.3807e-27                      /* Nm/K */
-#define AMU                    1.660540e-27                    /* kg */
-#define EV                     1.60217733e-19                  /* Nm */
-
-#define FCC                    0x01
-#define DIAMOND                        0x02
+#define K_BOLTZMANN            (1.380650524e-23*METER*NEWTON)  /* NA/K */
+#define EV                     (1.6021765314e-19*METER*NEWTON) /* NA */
 
 #define C                      0x06
-#define M_C                    (12.011*AMU)
+#define M_C                    12.011                          /* amu */
 
 #define SI                     0x0e
-#define LC_SI                  0.543105e-9                             /* m */
-#define M_SI                   (28.085*AMU)                            /* kg */
-#define LJ_SIGMA_SI            ((0.25*sqrt(3.0)*LC_SI)/1.122462)       /* m */
-#define LJ_EPSILON_SI          (2.1678*1.60e-19)                       /* Nm */
-
-#define TM_R_SI                        2.7e-10                         /* m */
-#define TM_S_SI                        3.0e-10                         /* m */
-#define TM_A_SI                        (1830.8*EV)                     /* Nm */
-#define TM_B_SI                        (471.18*EV)                     /* Nm */
-#define TM_LAMBDA_SI           2.4799e10                       /* 1/m */
-#define TM_MU_SI               1.7322e10                       /* 1/m */
+#define LC_SI                  (0.543105e-9*METER)             /* A */
+#define M_SI                   28.08553                        /* amu */
+
+//#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_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_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_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                         /* m */
-#define TM_S_C                 2.1e-10                         /* m */
-#define TM_A_C                 (1393.6*EV)                     /* Nm */
-#define TM_B_C                 (346.7*EV)                      /* Nm */
-#define TM_LAMBDA_C            3.4879e10                       /* 1/m */
-#define TM_MU_C                        2.2119e10                       /* 1/m */
+#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_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_BETA_C              1.5724e-7
 #define TM_N_C                 0.72751
 #define TM_C_C                 3.8049e4
 #define TM_D_C                 4.384
-#define TM_H_C                 (-0.57058)
+#define TM_H_C                 -0.57058
 
 #define TM_CHI_SIC             0.9776
 
+/*
+ * lattice constants
+ */
+
+#define CUBIC                  0x01
+#define FCC                    0x02
+#define DIAMOND                        0x04
+
 
 /*
  *
@@ -327,6 +390,7 @@ 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_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);
 int set_dim(t_moldyn *moldyn,double x,double y,double z,u8 visualize);
 int set_nn_dist(t_moldyn *moldyn,double dist);
@@ -336,38 +400,56 @@ int set_potential2b(t_moldyn *moldyn,pf_func2b func,void *params);
 int set_potential2b_post(t_moldyn *moldyn,pf_func2b_post func,void *params);
 int set_potential3b(t_moldyn *moldyn,pf_func3b func,void *params);
 
-int moldyn_set_log(t_moldyn *moldyn,u8 type,char *fb,int timer);
+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);
 int moldyn_log_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 
 int create_lattice(t_moldyn *moldyn,u8 type,double lc,int element,double mass,
-                   u8 attr,u8 bnum,int a,int b,int c);
-int add_atom(t_moldyn *moldyn,int element,double mass,u8 bnum,u8 attr,
+                   u8 attr,u8 brand,int a,int b,int c);
+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 temperature_calc(t_moldyn *moldyn);
+double get_temperature(t_moldyn *moldyn);
 int scale_velocity(t_moldyn *moldyn,u8 equi_init);
+double pressure_calc(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);
 
 double get_e_kin(t_moldyn *moldyn);
-double get_e_pot(t_moldyn *moldyn);
+double update_e_kin(t_moldyn *moldyn);
 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
 t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 
 double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 
-int link_cell_init(t_moldyn *moldyn);
+int link_cell_init(t_moldyn *moldyn,u8 vol);
 int link_cell_update(t_moldyn *moldyn);
 int link_cell_neighbour_index(t_moldyn *moldyn,int i,int j,int k,t_list *cell);
 int link_cell_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 
+typedef int (*set_hook)(void *,void *);
+
 int moldyn_add_schedule(t_moldyn *moldyn,int runs,double tau);
-int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,void *hook,void *hook_params);
+int moldyn_set_schedule_hook(t_moldyn *moldyn,set_hook hook,void *hook_params);
 
 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 
 int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
-int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a);
+inline int virial_calc(t_atom *a,t_3dvec *f,t_3dvec *d)
+       __attribute__((always_inline));
+inline int check_per_bound(t_moldyn *moldyn,t_3dvec *a)
+       __attribute__((always_inline));
 int harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 int lennard_jones(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 int tersoff_mult_complete_params(t_tersoff_mult_params *p);
@@ -376,4 +458,6 @@ int tersoff_mult_2bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 int tersoff_mult_post_2bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,u8 bc);
 int tersoff_mult_3bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,u8 bc);
 
+int moldyn_bc_check(t_moldyn *moldyn);
+
 #endif