src/gromacs/mdlib/rf_util.c

   1 /*
   2  * This file is part of the GROMACS molecular simulation package.
   3  *
   4  * Copyright (c) 1991-2000, University of Groningen, The Netherlands.
   5  * Copyright (c) 2001-2004, The GROMACS development team.
   6  * Copyright (c) 2013,2014, by the GROMACS development team, led by
   7  * Mark Abraham, David van der Spoel, Berk Hess, and Erik Lindahl,
   8  * and including many others, as listed in the AUTHORS file in the
   9  * top-level source directory and at http://www.gromacs.org.
  10  *
  11  * GROMACS is free software; you can redistribute it and/or
  12  * modify it under the terms of the GNU Lesser General Public License
  13  * as published by the Free Software Foundation; either version 2.1
  14  * of the License, or (at your option) any later version.
  15  *
  16  * GROMACS is distributed in the hope that it will be useful,
  17  * but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of
  18  * MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU
  19  * Lesser General Public License for more details.
  20  *
  21  * You should have received a copy of the GNU Lesser General Public
  22  * License along with GROMACS; if not, see
  23  * http://www.gnu.org/licenses, or write to the Free Software Foundation,
  24  * Inc., 51 Franklin Street, Fifth Floor, Boston, MA  02110-1301  USA.
  25  *
  26  * If you want to redistribute modifications to GROMACS, please
  27  * consider that scientific software is very special. Version
  28  * control is crucial - bugs must be traceable. We will be happy to
  29  * consider code for inclusion in the official distribution, but
  30  * derived work must not be called official GROMACS. Details are found
  31  * in the README & COPYING files - if they are missing, get the
  32  * official version at http://www.gromacs.org.
  33  *
  34  * To help us fund GROMACS development, we humbly ask that you cite
  35  * the research papers on the package. Check out http://www.gromacs.org.
  36  */
  37 #include "gmxpre.h"
  38
  39 #include "config.h"
  40
  41 #include "gromacs/legacyheaders/typedefs.h"
  42 #include "gromacs/legacyheaders/force.h"
  43 #include "gromacs/legacyheaders/names.h"
  44 #include "gromacs/legacyheaders/copyrite.h"
  45
  46 #include "gromacs/pbcutil/ishift.h"
  47 #include "gromacs/pbcutil/mshift.h"
  48 #include "gromacs/pbcutil/pbc.h"
  49 #include "gromacs/math/units.h"
  50 #include "gromacs/math/vec.h"
  51
  52 real RF_excl_correction(const t_forcerec *fr, t_graph *g,
  53                         const t_mdatoms *mdatoms, const t_blocka *excl,
  54                         rvec x[], rvec f[], rvec *fshift, const t_pbc *pbc,
  55                         real lambda, real *dvdlambda)
  56 {
  57     /* Calculate the reaction-field energy correction for this node:
  58      * epsfac q_i q_j (k_rf r_ij^2 - c_rf)
  59      * and force correction for all excluded pairs, including self pairs.
  60      */
  61     int         top, i, j, j1, j2, k, ki;
  62     double      q2sumA, q2sumB, ener;
  63     const real *chargeA, *chargeB;
  64     real        ek, ec, L1, qiA, qiB, qqA, qqB, qqL, v;
  65     rvec        dx, df;
  66     atom_id    *AA;
  67     ivec        dt;
  68     int         start = 0;
  69     int         end   = mdatoms->homenr;
  70     int         niat;
  71     gmx_bool    bMolPBC = fr->bMolPBC;
  72
  73     if (fr->n_tpi)
  74     {
  75         /* For test particle insertion we only correct for the test molecule */
  76         start = mdatoms->nr - fr->n_tpi;
  77     }
  78
  79     ek      = fr->epsfac*fr->k_rf;
  80     ec      = fr->epsfac*fr->c_rf;
  81     chargeA = mdatoms->chargeA;
  82     chargeB = mdatoms->chargeB;
  83     AA      = excl->a;
  84     ki      = CENTRAL;
  85
  86     if (fr->bDomDec)
  87     {
  88         niat = excl->nr;
  89     }
  90     else
  91     {
  92         niat = end;
  93     }
  94
  95     q2sumA = 0;
  96     q2sumB = 0;
  97     ener   = 0;
  98     if (mdatoms->nChargePerturbed == 0)
  99     {
 100         for (i = start; i < niat; i++)
 101         {
 102             qiA = chargeA[i];
 103             if (i < end)
 104             {
 105                 q2sumA += qiA*qiA;
 106             }
 107             /* Do the exclusions */
 108             j1  = excl->index[i];
 109             j2  = excl->index[i+1];
 110             for (j = j1; j < j2; j++)
 111             {
 112                 k = AA[j];
 113                 if (k > i)
 114                 {
 115                     qqA = qiA*chargeA[k];
 116                     if (qqA != 0)
 117                     {
 118                         if (g)
 119                         {
 120                             rvec_sub(x[i], x[k], dx);
 121                             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), SHIFT_IVEC(g, k), dt);
 122                             ki = IVEC2IS(dt);
 123                         }
 124                         else if (bMolPBC)
 125                         {
 126                             ki = pbc_dx_aiuc(pbc, x[i], x[k], dx);
 127                         }
 128                         else
 129                         {
 130                             rvec_sub(x[i], x[k], dx);
 131                         }
 132                         ener += qqA*(ek*norm2(dx) - ec);
 133                         svmul(-2*qqA*ek, dx, df);
 134                         rvec_inc(f[i], df);
 135                         rvec_dec(f[k], df);
 136                         rvec_inc(fshift[ki], df);
 137                         rvec_dec(fshift[CENTRAL], df);
 138                     }
 139                 }
 140             }
 141         }
 142         ener += -0.5*ec*q2sumA;
 143     }
 144     else
 145     {
 146         L1 = 1.0 - lambda;
 147         for (i = start; i < niat; i++)
 148         {
 149             qiA = chargeA[i];
 150             qiB = chargeB[i];
 151             if (i < end)
 152             {
 153                 q2sumA += qiA*qiA;
 154                 q2sumB += qiB*qiB;
 155             }
 156             /* Do the exclusions */
 157             j1  = excl->index[i];
 158             j2  = excl->index[i+1];
 159             for (j = j1; j < j2; j++)
 160             {
 161                 k = AA[j];
 162                 if (k > i)
 163                 {
 164                     qqA = qiA*chargeA[k];
 165                     qqB = qiB*chargeB[k];
 166                     if (qqA != 0 || qqB != 0)
 167                     {
 168                         qqL = L1*qqA + lambda*qqB;
 169                         if (g)
 170                         {
 171                             rvec_sub(x[i], x[k], dx);
 172                             ivec_sub(SHIFT_IVEC(g, i), SHIFT_IVEC(g, k), dt);
 173                             ki = IVEC2IS(dt);
 174                         }
 175                         else if (bMolPBC)
 176                         {
 177                             ki = pbc_dx_aiuc(pbc, x[i], x[k], dx);
 178                         }
 179                         else
 180                         {
 181                             rvec_sub(x[i], x[k], dx);
 182                         }
 183                         v     = ek*norm2(dx) - ec;
 184                         ener += qqL*v;
 185                         svmul(-2*qqL*ek, dx, df);
 186                         rvec_inc(f[i], df);
 187                         rvec_dec(f[k], df);
 188                         rvec_inc(fshift[ki], df);
 189                         rvec_dec(fshift[CENTRAL], df);
 190                         *dvdlambda += (qqB - qqA)*v;
 191                     }
 192                 }
 193             }
 194         }
 195         ener       += -0.5*ec*(L1*q2sumA + lambda*q2sumB);
 196         *dvdlambda += -0.5*ec*(q2sumB - q2sumA);
 197     }
 198
 199     if (debug)
 200     {
 201         fprintf(debug, "RF exclusion energy: %g\n", ener);
 202     }
 203
 204     return ener;
 205 }
 206
 207 void calc_rffac(FILE *fplog, int eel, real eps_r, real eps_rf, real Rc, real Temp,
 208                 real zsq, matrix box,
 209                 real *kappa, real *krf, real *crf)
 210 {
 211     /* Compute constants for Generalized reaction field */
 212     real   k1, k2, I, vol, rmin;
 213
 214     if (EEL_RF(eel))
 215     {
 216         vol     = det(box);
 217         if (eel == eelGRF)
 218         {
 219             /* Consistency check */
 220             if (Temp <= 0.0)
 221             {
 222                 gmx_fatal(FARGS, "Temperature is %f while using"
 223                           " Generalized Reaction Field\n", Temp);
 224             }
 225             /* Ionic strength (only needed for eelGRF */
 226             I       = 0.5*zsq/vol;
 227             *kappa  = sqrt(2*I/(EPSILON0*eps_rf*BOLTZ*Temp));
 228         }
 229         else
 230         {
 231             I      = 0;
 232             *kappa = 0;
 233         }
 234
 235         /* eps == 0 signals infinite dielectric */
 236         if (eps_rf == 0)
 237         {
 238             *krf = 1/(2*Rc*Rc*Rc);
 239         }
 240         else
 241         {
 242             k1   = 1 + *kappa*Rc;
 243             k2   = eps_rf*sqr((real)(*kappa*Rc));
 244
 245             *krf = ((eps_rf - eps_r)*k1 + 0.5*k2)/((2*eps_rf + eps_r)*k1 + k2)/(Rc*Rc*Rc);
 246         }
 247         *crf   = 1/Rc + *krf*Rc*Rc;
 248         rmin   = pow(*krf*2.0, -1.0/3.0);
 249
 250         if (fplog)
 251         {
 252             if (eel == eelGRF)
 253             {
 254                 please_cite(fplog, "Tironi95a");
 255                 fprintf(fplog, "%s:\n"
 256                         "epsRF = %10g, I   = %10g, volume = %10g, kappa  = %10g\n"
 257                         "rc    = %10g, krf = %10g, crf    = %10g, epsfac = %10g\n",
 258                         eel_names[eel], eps_rf, I, vol, *kappa, Rc, *krf, *crf,
 259                         ONE_4PI_EPS0/eps_r);
 260             }
 261             else
 262             {
 263                 fprintf(fplog, "%s:\n"
 264                         "epsRF = %g, rc = %g, krf = %g, crf = %g, epsfac = %g\n",
 265                         eel_names[eel], eps_rf, Rc, *krf, *crf, ONE_4PI_EPS0/eps_r);
 266             }
 267             fprintf(fplog,
 268                     "The electrostatics potential has its minimum at r = %g\n",
 269                     rmin);
 270         }
 271     }
 272 }
 273
 274 void init_generalized_rf(FILE *fplog,
 275                          const gmx_mtop_t *mtop, const t_inputrec *ir,
 276                          t_forcerec *fr)
 277 {
 278     int                  mb, i, j;
 279     real                 q, zsq, nrdf, T;
 280     const gmx_moltype_t *molt;
 281     const t_block       *cgs;
 282
 283     if (ir->efep != efepNO && fplog)
 284     {
 285         fprintf(fplog, "\nWARNING: the generalized reaction field constants are determined from topology A only\n\n");
 286     }
 287     zsq = 0.0;
 288     for (mb = 0; mb < mtop->nmolblock; mb++)
 289     {
 290         molt = &mtop->moltype[mtop->molblock[mb].type];
 291         cgs  = &molt->cgs;
 292         for (i = 0; (i < cgs->nr); i++)
 293         {
 294             q = 0;
 295             for (j = cgs->index[i]; (j < cgs->index[i+1]); j++)
 296             {
 297                 q += molt->atoms.atom[j].q;
 298             }
 299             zsq += mtop->molblock[mb].nmol*q*q;
 300         }
 301         fr->zsquare = zsq;
 302     }
 303
 304     T    = 0.0;
 305     nrdf = 0.0;
 306     for (i = 0; (i < ir->opts.ngtc); i++)
 307     {
 308         nrdf += ir->opts.nrdf[i];
 309         T    += (ir->opts.nrdf[i] * ir->opts.ref_t[i]);
 310     }
 311     if (nrdf == 0)
 312     {
 313         gmx_fatal(FARGS, "No degrees of freedom!");
 314     }
 315     fr->temp   = T/nrdf;
 316 }