added report system, still messing around with virial pressure
[physik/posic.git] / moldyn.h
index a76b3b4..7329099 100644 (file)
--- a/moldyn.h
+++ b/moldyn.h
@@ -12,6 +12,7 @@
 #include "random/random.h"
 #include "list/list.h"
 
+#include "report/report.h"
 
 /*
  * 
 /* 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;
 
 #define ATOM_ATTR_FP   0x01    /* fixed position (bulk material) */
 #define ATOM_ATTR_HB   0x02    /* coupled to heat bath (velocity scaling) */
 
-#define ATOM_ATTR_1BP  0x10    /* single paricle potential */
-#define ATOM_ATTR_2BP  0x20    /* pair potential */
-#define ATOM_ATTR_3BP  0x40    /* 3 body potential */ 
+#define ATOM_ATTR_1BP          0x10    /* single paricle potential */
+#define ATOM_ATTR_2BP          0x20    /* pair potential */
+#define ATOM_ATTR_3BP          0x40    /* 3 body potential */ 
 
 /* cell lists */
 typedef struct s_linkcell {
@@ -48,17 +62,17 @@ 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 */
+/* moldyn schedule structure */
 typedef struct s_moldyn_schedule {
-       int content_count;
+       int count;
+       int total_sched;
        int *runs;
-       int *tau;
-       int (*hook)(t_moldyn *,void *);
+       double *tau;
+       int (*hook)(void *moldyn,void *hook_params);
        void *hook_params;
 } t_moldyn_schedule;
 
@@ -68,22 +82,38 @@ 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 (*pf_func1b)(struct s_moldyn *,t_atom *);
+       int (*func1b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
        void *pot1b_params;
-       int (*pf_func2b)(struct s_moldyn *,t_atom *,t_atom *);
+       int (*func2b)(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 (*pf_func3b)(struct s_moldyn *,t_atom *,t_atom *,t_atom *);
+       int (*func3b)(struct s_moldyn *moldyn,t_atom *ai,t_atom *aj,t_atom *ak,
+                     u8 bck);
        void *pot3b_params;
        //int (*potential_force_function)(struct s_moldyn *moldyn);
 
        double cutoff;          /* cutoff radius */
        double cutoff_square;   /* square of the cutoff radius */
+       double nnd;             /* nearest neighbour distance (optional) */
+
+       t_linkcell lc;          /* linked cell list interface */
 
-       t_linkcell lc;          /* linked cell method */
+       double t_ref;           /* reference temperature */
+       double t;               /* actual temperature */
 
-       double t;               /* temperature */
+       double p_ref;           /* reference 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 */
 
        /* simulation schedule */
        t_moldyn_schedule schedule;
@@ -93,39 +123,48 @@ typedef struct s_moldyn {
        int (*integrate)(struct s_moldyn *moldyn);
        int time_steps;         /* amount of iterations */
        double tau;             /* delta t */
+       double time;            /* absolute time */
        double tau_square;      /* delta t squared */
        double elapsed;         /* total elapsed time */
 
-       double energy;          /* energy */
+       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 */
-       char efb[64];           /* energy log filename */
        int efd;                /* fd for energy log */
        unsigned int mwrite;    /* how often to log momentum */
-       char mfb[64];           /* momentum log filename */
        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 */
+       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 */
+
+       int debug;              /* debugging stuff, ignore */
 } t_moldyn;
 
-#define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_E          0x01
-#define MOLDYN_LVSTAT_TOTAL_M          0x02
-#define MOLDYN_LVSTAT_SAVE             0x04
-#define MOLDYN_LVSTAT_VISUAL           0x08
-#define MOLDYN_LVSTAT_INITIALIZED      0x10
+#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_STAT_PBX                        0x08    /* periodic boudaries in x */
-#define MOLDYN_STAT_PBY                        0x10    /* y */
-#define MOLDYN_STAT_PBZ                        0x20    /* and z direction */
+#define MOLDYN_PSCALE                  0x08    /* size controlled by piston */
 
+#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 */
 
 /*
  *
@@ -150,6 +189,7 @@ typedef struct s_lj_params {
        double sigma6;
        double sigma12;
        double epsilon4;
+       double uc;
 } t_lj_params;
 
 /*
@@ -159,35 +199,51 @@ typedef struct s_lj_params {
 /* tersoff exchange structure to exchange 2bp and 3bp calculated values */
 typedef struct s_tersoff_exchange {
        double f_c,df_c;
+       double f_a,df_a;
 
        t_3dvec dist_ij;
-       double d_ij;
        double d_ij2;
+       double d_ij;
 
        double chi;
 
-       double *B;
-       double *mu;
-
-       double *beta;
-       double *n;
-       double *c;
-       double *d;
-       double *h;
-
-       double c2;
-       double d2;
-       double c2d2;
-       double 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;
+
+       double zeta_ij;
+       double zeta_ji;
+       t_3dvec dzeta_ij;
+       t_3dvec dzeta_ji;
 } t_tersoff_exchange;
 
 /* tersoff multi (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 */
@@ -207,7 +263,7 @@ typedef struct s_tersoff_mult_params {
        double h[2];
 
        t_tersoff_exchange exchange;    /* exchange between 2bp and 3bp calc */
-} t_tersoff_params;
+} t_tersoff_mult_params;
 
 
 
@@ -217,11 +273,30 @@ 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_INTEGRATE_VERLET                0x00
@@ -231,31 +306,68 @@ typedef struct s_tersoff_mult_params {
 #define MOLDYN_POTENTIAL_LJ            0x01
 #define MOLDYN_POTENTIAL_TM            0x02
 
-#define MOLDYN_SET_POTENTIAL           0x00
-#define MOLDYN_SET_TEMPERATURE         0x01
-#define MOLDYN_SET_
-#define MOLDYN_SET_
+#define LOG_TOTAL_ENERGY               0x01
+#define LOG_TOTAL_MOMENTUM             0x02
+#define SAVE_STEP                      0x04
+#define VISUAL_STEP                    0x08
+#define CREATE_REPORT                  0x10
+
+#define TRUE                           1
+#define FALSE                          0
 
 /*
  *
  * phsical values / constants
  *
+ *
  */
 
-#define K_BOLTZMANN            1.3807e-27                      /* Nm/K */
-#define AMU                    1.660540e-27                    /* kg */
-
-#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 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_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*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_CHI_SIC             0.9776
+
+/*
+ * lattice constants
+ */
+
+#define CUBIC                  0x01
+#define FCC                    0x02
+#define DIAMOND                        0x04
 
 
 /*
@@ -264,33 +376,85 @@ typedef struct s_tersoff_mult_params {
  *
  */
 
-int moldyn_usage(char **argv);
-int moldyn_parse_argv(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
-int moldyn_log_init(t_moldyn *moldyn);
+typedef int (*pf_func1b)(t_moldyn *,t_atom *ai);
+typedef int (*pf_func2b)(t_moldyn *,t_atom *,t_atom *,u8 bc);
+typedef int (*pf_func2b_post)(t_moldyn *,t_atom *,t_atom *,u8 bc);
+typedef int (*pf_func3b)(t_moldyn *,t_atom *,t_atom *,t_atom *,u8 bc);
+
 int moldyn_init(t_moldyn *moldyn,int argc,char **argv);
 int moldyn_shutdown(t_moldyn *moldyn);
 
-int create_lattice(u8 type,int element,double mass,double lc,
-                   int a,int b,int c,t_atom **atom);
-int destroy_lattice(t_atom *atom);
-int thermal_init(t_moldyn *moldyn);
-int scale_velocity(t_moldyn *moldyn);
-double get_e_kin(t_atom *atom,int count);
-double get_e_pot(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);
+int set_pbc(t_moldyn *moldyn,u8 x,u8 y,u8 z);
+int set_potential1b(t_moldyn *moldyn,pf_func1b func,void *params);
+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_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 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 update_e_kin(t_moldyn *moldyn);
 double get_total_energy(t_moldyn *moldyn);
-t_3dvec get_total_p(t_atom *atom,int count);
+t_3dvec get_total_p(t_moldyn *moldyn);
 
-double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist,double t);
+double estimate_time_step(t_moldyn *moldyn,double nn_dist);
 
 int link_cell_init(t_moldyn *moldyn);
 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,set_hook hook,void *hook_params);
+
 int moldyn_integrate(t_moldyn *moldyn);
 int velocity_verlet(t_moldyn *moldyn);
 
-int harmonic_oscillator(t_moldyn *moldyn);
-int lennard_jones(t_moldyn *moldyn);
+int potential_force_calc(t_moldyn *moldyn);
+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);
+int tersoff_mult_1bp(t_moldyn *moldyn,t_atom *ai);
+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