Trisurf Monte Carlo simulator
view | history | commit | commitdiff
Samo Penic
2021-05-10 6487a03362d35589c286d0660eba123a7ab00535
commit | author | age
7f6076 1 /* vim: set ts=4 sts=4 sw=4 noet : */
d7639a 2 #include<stdlib.h>
SP 3 #include "general.h"
4 #include "energy.h"
5 #include "vertex.h"
6 #include<math.h>
7 #include<stdio.h>
a00f10 8
SP 9
10 /** @brief Wrapper that calculates energy of every vertex in vesicle
11  *  
12  *  Function calculated energy of every vertex in vesicle. It can be used in
13  *  initialization procedure or in recalculation of the energy after non-MCsweep *  operations. However, when random move of vertex or flip of random bond occur *  call to this function is not necessary nor recommended. 
14  *  @param *vesicle is a pointer to vesicle.
15  *  @returns TS_SUCCESS on success.
16 */
d7639a 17 ts_bool mean_curvature_and_energy(ts_vesicle *vesicle){
SP 18
f74313 19     ts_uint i;
d7639a 20     
f74313 21     ts_vertex_list *vlist=vesicle->vlist;
SP 22     ts_vertex **vtx=vlist->vtx;
d7639a 23
SP 24     for(i=0;i<vlist->n;i++){
f74313 25         energy_vertex(vtx[i]);
b01cc1 26         
d7639a 27     }
SP 28
29     return TS_SUCCESS;
30 }
31
a00f10 32 /** @brief Calculate energy of a bond (in models where energy is bond related)
SP 33  *
34  *  This function is experimental and currently only used in polymeres calculation (PEGs or polymeres inside the vesicle).
35  *
36  *  @param *bond is a pointer to a bond between two vertices in polymere
37  *  @param *poly is a pointer to polymere in which we calculate te energy of the bond
38  *  @returns TS_SUCCESS on successful calculation
39 */
fedf2b 40 inline ts_bool bond_energy(ts_bond *bond,ts_poly *poly){
304510 41 //TODO: This value to be changed and implemented in data structure:
M 42     ts_double d_relaxed=1.0;
43     bond->energy=poly->k*pow(bond->bond_length-d_relaxed,2);
fedf2b 44     return TS_SUCCESS;
M 45 };
46
e6efc6 47 /** @brief Calculation of the bending energy of the vertex.
a00f10 48  *  
e6efc6 49  *  Main function that calculates energy of the vertex \f$i\f$. Function returns \f$\frac{1}{2}(c_1+c_2-c)^2 s\f$, where \f$(c_1+c_2)/2\f$ is mean curvature,
SP 50  * \f$c/2\f$ is spontaneous curvature and \f$s\f$ is area per vertex \f$i\f$.
51  *
52  * Nearest neighbors (NN) must be ordered in counterclockwise direction for this function to work.
a00f10 53  *  Firstly NNs that form two neighboring triangles are found (\f$j_m\f$, \f$j_p\f$ and common \f$j\f$). Later, the scalar product of vectors \f$x_1=(\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\cdot (\mathbf{i}-\mathbf{j_p})(\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\f$, \f$x_2=(\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\cdot  (\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\f$  and \f$x_3=(\mathbf{j}-\mathbf{j_p})\cdot (\mathbf{i}-\mathbf{j_p})\f$  are calculated. From these three vectors the \f$c_{tp}=\frac{1}{\tan(\varphi_p)}\f$ is calculated, where \f$\varphi_p\f$ is the inner angle at vertex \f$j_p\f$. The procedure is repeated for \f$j_m\f$ instead of \f$j_p\f$ resulting in \f$c_{tn}\f$.
SP 54  *  
854cb6 55 \begin{tikzpicture}{
a00f10 56 \coordinate[label=below:$i$] (i) at (2,0);
SP 57 \coordinate[label=left:$j_m$] (jm) at (0,3.7);
58 \coordinate[label=above:$j$] (j) at (2.5,6.4);
59 \coordinate[label=right:$j_p$] (jp) at (4,2.7);
d7639a 60
a00f10 61 \draw (i) -- (jm) -- (j) -- (jp) -- (i) -- (j);
SP 62
63 \begin{scope}
64 \path[clip] (jm)--(i)--(j);
65 \draw (jm) circle (0.8);
66 \node[right] at (jm) {$\varphi_m$};
67 \end{scope}
68
69 \begin{scope}
70 \path[clip] (jp)--(i)--(j);
71 \draw (jp) circle (0.8);
72 \node[left] at (jp) {$\varphi_p$};
73 \end{scope}
74
75 %%vertices
76 \draw [fill=gray] (i) circle (0.1);
77 \draw [fill=white] (j) circle (0.1);
78 \draw [fill=white] (jp) circle (0.1);
79 \draw [fill=white] (jm) circle (0.1);
80 %\node[draw,circle,fill=white] at (i) {};
854cb6 81 \end{tikzpicture}
a00f10 82
SP 83  * The curvature is then calculated as \f$\mathbf{h}=\frac{1}{2}\Sigma_{k=0}^{\mathrm{neigh\_no}} c_{tp}^{(k)}+c_{tm}^{(k)} (\mathbf{j_k}-\mathbf{i})\f$, where \f$c_{tp}^{(k)}+c_{tm}^k=2\sigma^{(k)}\f$ (length in dual lattice?) and the previous equation can be written as \f$\mathbf{h}=\Sigma_{k=0}^{\mathrm{neigh\_no}}\sigma^{(k)}\cdot(\mathbf{j}-\mathbf{i})\f$ (See Kroll, p. 384, eq 70).
84  *
85  * From the curvature the enery is calculated by equation \f$E=\frac{1}{2}\mathbf{h}\cdot\mathbf{h}\f$.
86  * @param *vtx is a pointer to vertex at which we want to calculate the energy
87  * @returns TS_SUCCESS on successful calculation.
88 */
d7639a 89 inline ts_bool energy_vertex(ts_vertex *vtx){
SP 90     ts_uint jj;
91     ts_uint jjp,jjm;
92     ts_vertex *j,*jp, *jm;
93     ts_triangle *jt;
a63f17 94     ts_double s=0.0,xh=0.0,yh=0.0,zh=0.0,txn=0.0,tyn=0.0,tzn=0.0;
d7639a 95     ts_double x1,x2,x3,ctp,ctm,tot,xlen;
SP 96     ts_double h,ht;
8f6a69 97     for(jj=1; jj<=vtx->neigh_no;jj++){
d7639a 98         jjp=jj+1;
8f6a69 99         if(jjp>vtx->neigh_no) jjp=1;
d7639a 100         jjm=jj-1;
8f6a69 101         if(jjm<1) jjm=vtx->neigh_no;
SP 102         j=vtx->neigh[jj-1];
103         jp=vtx->neigh[jjp-1];
104         jm=vtx->neigh[jjm-1];
105         jt=vtx->tristar[jj-1];
f74313 106         x1=vtx_distance_sq(vtx,jp); //shouldn't be zero!
SP 107         x2=vtx_distance_sq(j,jp); // shouldn't be zero!
8f6a69 108         x3=(j->x-jp->x)*(vtx->x-jp->x)+
SP 109            (j->y-jp->y)*(vtx->y-jp->y)+
110            (j->z-jp->z)*(vtx->z-jp->z);
d7639a 111         
SP 112 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
113         ctp=x3/sqrt(x1*x2-x3*x3);
114 #endif
115 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
116         ctp=x3/sqrtf(x1*x2-x3*x3);
117 #endif
118 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
119         ctp=x3/sqrtl(x1*x2-x3*x3);
120 #endif
f74313 121         x1=vtx_distance_sq(vtx,jm);
SP 122         x2=vtx_distance_sq(j,jm);
8f6a69 123         x3=(j->x-jm->x)*(vtx->x-jm->x)+
SP 124            (j->y-jm->y)*(vtx->y-jm->y)+
125            (j->z-jm->z)*(vtx->z-jm->z);
d7639a 126 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
SP 127         ctm=x3/sqrt(x1*x2-x3*x3);
128 #endif
129 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
130         ctm=x3/sqrtf(x1*x2-x3*x3);
131 #endif
132 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
133         ctm=x3/sqrtl(x1*x2-x3*x3);
134 #endif
135         tot=ctp+ctm;
136         tot=0.5*tot;
a63f17 137
f74313 138         xlen=vtx_distance_sq(j,vtx);
a63f17 139 /*
d7639a 140 #ifdef  TS_DOUBLE_DOUBLE 
8f6a69 141         vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrt(xlen); 
d7639a 142 #endif
SP 143 #ifdef  TS_DOUBLE_FLOAT
8f6a69 144         vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrtf(xlen); 
d7639a 145 #endif
SP 146 #ifdef  TS_DOUBLE_LONGDOUBLE 
8f6a69 147         vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrtl(xlen); 
d7639a 148 #endif
SP 149
8f6a69 150         vtx->bond[jj-1]->bond_length_dual=tot*vtx->bond[jj-1]->bond_length;
a63f17 151 */
d7639a 152         s+=tot*xlen;
8f6a69 153         xh+=tot*(j->x - vtx->x);
SP 154         yh+=tot*(j->y - vtx->y);
155         zh+=tot*(j->z - vtx->z);
41a035 156         txn+=jt->xnorm;
SP 157         tyn+=jt->ynorm;
158         tzn+=jt->znorm;
d7639a 159     }
SP 160     
161     h=xh*xh+yh*yh+zh*zh;
162     ht=txn*xh+tyn*yh + tzn*zh;
163     s=s/4.0; 
164 #ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
165     if(ht>=0.0) {
8f6a69 166         vtx->curvature=sqrt(h);
d7639a 167     } else {
8f6a69 168         vtx->curvature=-sqrt(h);
d7639a 169     }
SP 170 #endif
171 #ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
172     if(ht>=0.0) {
8f6a69 173         vtx->curvature=sqrtf(h);
d7639a 174     } else {
8f6a69 175         vtx->curvature=-sqrtf(h);
d7639a 176     }
SP 177 #endif
178 #ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
179     if(ht>=0.0) {
8f6a69 180         vtx->curvature=sqrtl(h);
d7639a 181     } else {
8f6a69 182         vtx->curvature=-sqrtl(h);
d7639a 183     }
SP 184 #endif
dac2e5 185 // c is forced curvature energy for each vertex. Should be set to zero for
8f6a69 186 // normal circumstances.
e6efc6 187 /* the following statement is an expression for $\frac{1}{2}\int(c_1+c_2-c_0^\prime)^2\mathrm{d}A$, where $c_0^\prime=2c_0$ (twice the spontaneous curvature)  */
8f6a69 188     vtx->energy=0.5*s*(vtx->curvature/s-vtx->c)*(vtx->curvature/s-vtx->c);
d7639a 189
SP 190     return TS_SUCCESS;
191 }
e5858f 192
SP 193
194
195 ts_bool sweep_attraction_bond_energy(ts_vesicle *vesicle){
196     int i;
197     for(i=0;i<vesicle->blist->n;i++){
198         attraction_bond_energy(vesicle->blist->bond[i], vesicle->tape->w);
199     }
200     return TS_SUCCESS;
201 }
202
203
204 inline ts_bool attraction_bond_energy(ts_bond *bond, ts_double w){
205
206     if(fabs(bond->vtx1->c)>1e-16 && fabs(bond->vtx2->c)>1e-16){
032273 207         bond->energy=-w;
e5858f 208     }
SP 209     else {
210         bond->energy=0.0;
211     }
212     return TS_SUCCESS;
213 }
250de4 214
SP 215 ts_double direct_force_energy(ts_vesicle *vesicle, ts_vertex *vtx, ts_vertex *vtx_old){
6487a0 216     if(fabs(vtx->direct_interaction_force)<1e-15) return 0.0;
250de4 217 //    printf("was here");
SP 218     if(fabs(vesicle->tape->F)<1e-15) return 0.0;
219
220     ts_double norml,ddp=0.0;
221     ts_uint i;
222     ts_double xnorm=0.0,ynorm=0.0,znorm=0.0;
02d65c 223     /*find normal of the vertex as sum of all the normals of the triangles surrounding it. */
250de4 224     for(i=0;i<vtx->tristar_no;i++){
02d65c 225             xnorm+=vtx->tristar[i]->xnorm;
MF 226             ynorm+=vtx->tristar[i]->ynorm;
227             znorm+=vtx->tristar[i]->znorm;
250de4 228     }
SP 229     /*normalize*/
230     norml=sqrt(xnorm*xnorm+ynorm*ynorm+znorm*znorm);
231     xnorm/=norml;
232     ynorm/=norml;
233     znorm/=norml;
234     /*calculate ddp, perpendicular displacement*/
c372c1 235     ddp=xnorm*(vtx->x-vtx_old->x)+ynorm*(vtx->y-vtx_old->y)+znorm*(vtx->z-vtx_old->z);
250de4 236     /*calculate dE*/
SP 237 //    printf("ddp=%e",ddp);
238     return vesicle->tape->F*ddp;        
239     
240 }
7ec6fb 241
SP 242 void stretchenergy(ts_vesicle *vesicle, ts_triangle *triangle){
04694f 243     triangle->energy=vesicle->tape->xkA0/2.0*pow((triangle->area/vesicle->tlist->a0-1.0),2);
7ec6fb 244 }