Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2020-07-03 7d84ef2a0c3f672007317882a2d93487009d668b
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"
7d84ef 6 #include "bond.h"
d7639a 7 #include<math.h>
SP 8 #include<stdio.h>
a00f10 9
SP 10
11 /** @brief Wrapper that calculates energy of every vertex in vesicle
12  *  
13  *  Function calculated energy of every vertex in vesicle. It can be used in
14  *  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. 
15  *  @param *vesicle is a pointer to vesicle.
16  *  @returns TS_SUCCESS on success.
17 */
d7639a 18 ts_bool mean_curvature_and_energy(ts_vesicle *vesicle){
SP 19
f74313 20     ts_uint i;
d7639a 21     
f74313 22     ts_vertex_list *vlist=vesicle->vlist;
SP 23     ts_vertex **vtx=vlist->vtx;
d7639a 24
SP 25     for(i=0;i<vlist->n;i++){
f74313 26         energy_vertex(vtx[i]);
b01cc1 27         
d7639a 28     }
SP 29
30     return TS_SUCCESS;
31 }
32
a00f10 33 /** @brief Calculate energy of a bond (in models where energy is bond related)
SP 34  *
35  *  This function is experimental and currently only used in polymeres calculation (PEGs or polymeres inside the vesicle).
36  *
37  *  @param *bond is a pointer to a bond between two vertices in polymere
38  *  @param *poly is a pointer to polymere in which we calculate te energy of the bond
39  *  @returns TS_SUCCESS on successful calculation
40 */
fedf2b 41 inline ts_bool bond_energy(ts_bond *bond,ts_poly *poly){
304510 42 //TODO: This value to be changed and implemented in data structure:
M 43     ts_double d_relaxed=1.0;
44     bond->energy=poly->k*pow(bond->bond_length-d_relaxed,2);
fedf2b 45     return TS_SUCCESS;
M 46 };
47
e6efc6 48 /** @brief Calculation of the bending energy of the vertex.
a00f10 49  *  
e6efc6 50  *  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 51  * \f$c/2\f$ is spontaneous curvature and \f$s\f$ is area per vertex \f$i\f$.
52  *
53  * Nearest neighbors (NN) must be ordered in counterclockwise direction for this function to work.
a00f10 54  *  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 55  *  
854cb6 56 \begin{tikzpicture}{
a00f10 57 \coordinate[label=below:$i$] (i) at (2,0);
SP 58 \coordinate[label=left:$j_m$] (jm) at (0,3.7);
59 \coordinate[label=above:$j$] (j) at (2.5,6.4);
60 \coordinate[label=right:$j_p$] (jp) at (4,2.7);
d7639a 61
a00f10 62 \draw (i) -- (jm) -- (j) -- (jp) -- (i) -- (j);
SP 63
64 \begin{scope}
65 \path[clip] (jm)--(i)--(j);
66 \draw (jm) circle (0.8);
67 \node[right] at (jm) {$\varphi_m$};
68 \end{scope}
69
70 \begin{scope}
71 \path[clip] (jp)--(i)--(j);
72 \draw (jp) circle (0.8);
73 \node[left] at (jp) {$\varphi_p$};
74 \end{scope}
75
76 %%vertices
77 \draw [fill=gray] (i) circle (0.1);
78 \draw [fill=white] (j) circle (0.1);
79 \draw [fill=white] (jp) circle (0.1);
80 \draw [fill=white] (jm) circle (0.1);
81 %\node[draw,circle,fill=white] at (i) {};
854cb6 82 \end{tikzpicture}
a00f10 83
SP 84  * 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).
85  *
86  * From the curvature the enery is calculated by equation \f$E=\frac{1}{2}\mathbf{h}\cdot\mathbf{h}\f$.
87  * @param *vtx is a pointer to vertex at which we want to calculate the energy
88  * @returns TS_SUCCESS on successful calculation.
89 */
d7639a 90 inline ts_bool energy_vertex(ts_vertex *vtx){
7d84ef 91     ts_uint jj, i, j, cnt=0;
SP 92     ts_double edge_vector_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};
93     ts_double edge_vector_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};
94     ts_double edge_vector_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};
95     ts_double edge_normal_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};
96     ts_double edge_normal_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};
97     ts_double edge_normal_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};
98     ts_double edge_binormal_x[7]={0,0,0,0,0,0,0};
99     ts_double edge_binormal_y[7]={0,0,0,0,0,0,0};
100     ts_double edge_binormal_z[7]={0,0,0,0,0,0,0};
101     ts_double vertex_normal_x=0.0;
102     ts_double vertex_normal_y=0.0;
103     ts_double vertex_normal_z=0.0;
104     ts_triangle *triedge[2]={NULL,NULL};
a63f17 105
7d84ef 106     ts_double sumnorm;
d7639a 107
7d84ef 108     // Here edge vector is calculated
SP 109 //    fprintf(stderr, "Vertex has neighbours=%d\n", vtx->neigh_no);
110     for(jj=0;jj<vtx->neigh_no;jj++){
111     edge_vector_x[jj]=vtx->neigh[jj]->x-vtx->x;
112     edge_vector_y[jj]=vtx->neigh[jj]->y-vtx->y;
113     edge_vector_z[jj]=vtx->neigh[jj]->z-vtx->z;
114     // We find lm and lp from k->tristar !
115     cnt=0;
116         for(i=0;i<vtx->tristar_no;i++){
117             for(j=0;j<vtx->neigh[jj]->tristar_no;j++){
118                     if((vtx->tristar[i] == vtx->neigh[jj]->tristar[j])){ //ce gre za skupen trikotnik
119                         triedge[cnt]=vtx->tristar[i];
120                 cnt++;
121                     }
122             }
123         }
124     if(cnt!=2) fatal("ts_energy_vertex: both triangles not found!", 133);
125     sumnorm=sqrt( pow((triedge[0]->xnorm + triedge[1]->xnorm),2) + pow((triedge[0]->ynorm + triedge[1]->ynorm), 2) + pow((triedge[0]->znorm + triedge[1]->znorm), 2));
d7639a 126
7d84ef 127     edge_normal_x[jj]=(triedge[0]->xnorm+ triedge[1]->xnorm)/sumnorm;
SP 128     edge_normal_y[jj]=(triedge[0]->ynorm+ triedge[1]->ynorm)/sumnorm;
129     edge_normal_z[jj]=(triedge[0]->znorm+ triedge[1]->znorm)/sumnorm;
130
131
132     edge_binormal_x[jj]=(edge_normal_y[jj]*edge_vector_z[jj])-(edge_normal_z[jj]*edge_vector_y[jj]);
133     edge_binormal_y[jj]=-(edge_normal_x[jj]*edge_vector_z[jj])+(edge_normal_z[jj]*edge_vector_x[jj]);
134     edge_binormal_z[jj]=(edge_normal_x[jj]*edge_vector_y[jj])-(edge_normal_y[jj]*edge_vector_x[jj]);
135
136     printf("(%f %f %f); (%f %f %f); (%f %f %f), %d\n", edge_vector_x[jj], edge_vector_y[jj], edge_vector_z[jj], edge_normal_x[jj], edge_normal_y[jj], edge_normal_z[jj], edge_binormal_x[jj], edge_binormal_y[jj], edge_binormal_z[jj],triedge[0]->idx);
137
138     }
139     for(i=0; i<vtx->tristar_no; i++){
140         vertex_normal_x=vertex_normal_x + vtx->tristar[i]->xnorm*vtx->tristar[i]->area;
141         vertex_normal_y=vertex_normal_y + vtx->tristar[i]->ynorm*vtx->tristar[i]->area;
142         vertex_normal_z=vertex_normal_z + vtx->tristar[i]->znorm*vtx->tristar[i]->area;
143     }
144     printf("(%f %f %f)\n", vertex_normal_x, vertex_normal_y, vertex_normal_z);
145     vtx->energy=0.0;
146     return TS_SUCCESS;
d7639a 147 }
e5858f 148
SP 149 ts_bool sweep_attraction_bond_energy(ts_vesicle *vesicle){
150     int i;
151     for(i=0;i<vesicle->blist->n;i++){
152         attraction_bond_energy(vesicle->blist->bond[i], vesicle->tape->w);
153     }
154     return TS_SUCCESS;
155 }
156
157
158 inline ts_bool attraction_bond_energy(ts_bond *bond, ts_double w){
159
160     if(fabs(bond->vtx1->c)>1e-16 && fabs(bond->vtx2->c)>1e-16){
032273 161         bond->energy=-w;
e5858f 162     }
SP 163     else {
164         bond->energy=0.0;
165     }
166     return TS_SUCCESS;
167 }
250de4 168
SP 169 ts_double direct_force_energy(ts_vesicle *vesicle, ts_vertex *vtx, ts_vertex *vtx_old){
170     if(fabs(vtx->c)<1e-15) return 0.0;
171 //    printf("was here");
172     if(fabs(vesicle->tape->F)<1e-15) return 0.0;
173
174     ts_double norml,ddp=0.0;
175     ts_uint i;
176     ts_double xnorm=0.0,ynorm=0.0,znorm=0.0;
02d65c 177     /*find normal of the vertex as sum of all the normals of the triangles surrounding it. */
250de4 178     for(i=0;i<vtx->tristar_no;i++){
02d65c 179             xnorm+=vtx->tristar[i]->xnorm;
MF 180             ynorm+=vtx->tristar[i]->ynorm;
181             znorm+=vtx->tristar[i]->znorm;
250de4 182     }
SP 183     /*normalize*/
184     norml=sqrt(xnorm*xnorm+ynorm*ynorm+znorm*znorm);
185     xnorm/=norml;
186     ynorm/=norml;
187     znorm/=norml;
188     /*calculate ddp, perpendicular displacement*/
c372c1 189     ddp=xnorm*(vtx->x-vtx_old->x)+ynorm*(vtx->y-vtx_old->y)+znorm*(vtx->z-vtx_old->z);
250de4 190     /*calculate dE*/
SP 191 //    printf("ddp=%e",ddp);
192     return vesicle->tape->F*ddp;        
193     
194 }
7ec6fb 195
SP 196 void stretchenergy(ts_vesicle *vesicle, ts_triangle *triangle){
04694f 197     triangle->energy=vesicle->tape->xkA0/2.0*pow((triangle->area/vesicle->tlist->a0-1.0),2);
7ec6fb 198 }