Trisurf Monte Carlo simulator
Samo Penic
2016-05-31 4891eb093f61d37056c50c572e669349dd49a65a
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
/* vim: set ts=4 sts=4 sw=4 noet : */
#include<stdlib.h>
#include "general.h"
#include "energy.h"
#include "vertex.h"
#include<math.h>
#include<stdio.h>
 
 
/** @brief Wrapper that calculates energy of every vertex in vesicle
 *  
 *  Function calculated energy of every vertex in vesicle. It can be used in
 *  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. 
 *  @param *vesicle is a pointer to vesicle.
 *  @returns TS_SUCCESS on success.
*/
ts_bool mean_curvature_and_energy(ts_vesicle *vesicle){
 
    ts_uint i;
    
    ts_vertex_list *vlist=vesicle->vlist;
    ts_vertex **vtx=vlist->vtx;
 
    for(i=0;i<vlist->n;i++){
        energy_vertex(vtx[i]);
        
    }
 
    return TS_SUCCESS;
}
 
/** @brief Calculate energy of a bond (in models where energy is bond related)
 *
 *  This function is experimental and currently only used in polymeres calculation (PEGs or polymeres inside the vesicle).
 *
 *  @param *bond is a pointer to a bond between two vertices in polymere
 *  @param *poly is a pointer to polymere in which we calculate te energy of the bond
 *  @returns TS_SUCCESS on successful calculation
*/
inline ts_bool bond_energy(ts_bond *bond,ts_poly *poly){
//TODO: This value to be changed and implemented in data structure:
    ts_double d_relaxed=1.0;
    bond->energy=poly->k*pow(bond->bond_length-d_relaxed,2);
    return TS_SUCCESS;
};
 
/** @brief Calculation of energy of the vertex
 *  
 *  Main function that calculates energy of the vertex \f$i\f$. Nearest neighbors (NN) must be ordered in counterclockwise direction for this function to work.
 *  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$c_{tn}\f$.
 *  
\begin{tikzpicture}{
\coordinate[label=below:$i$] (i) at (2,0);
\coordinate[label=left:$j_m$] (jm) at (0,3.7);
\coordinate[label=above:$j$] (j) at (2.5,6.4);
\coordinate[label=right:$j_p$] (jp) at (4,2.7);
 
\draw (i) -- (jm) -- (j) -- (jp) -- (i) -- (j);
 
\begin{scope}
\path[clip] (jm)--(i)--(j);
\draw (jm) circle (0.8);
\node[right] at (jm) {$\varphi_m$};
\end{scope}
 
\begin{scope}
\path[clip] (jp)--(i)--(j);
\draw (jp) circle (0.8);
\node[left] at (jp) {$\varphi_p$};
\end{scope}
 
%%vertices
\draw [fill=gray] (i) circle (0.1);
\draw [fill=white] (j) circle (0.1);
\draw [fill=white] (jp) circle (0.1);
\draw [fill=white] (jm) circle (0.1);
%\node[draw,circle,fill=white] at (i) {};
\end{tikzpicture}
 
 * 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).
 *
 * From the curvature the enery is calculated by equation \f$E=\frac{1}{2}\mathbf{h}\cdot\mathbf{h}\f$.
 * @param *vtx is a pointer to vertex at which we want to calculate the energy
 * @returns TS_SUCCESS on successful calculation.
*/
inline ts_bool energy_vertex(ts_vertex *vtx){
    ts_uint jj;
    ts_uint jjp,jjm;
    ts_vertex *j,*jp, *jm;
    ts_triangle *jt;
    ts_double s=0.0,xh=0.0,yh=0.0,zh=0.0,txn=0.0,tyn=0.0,tzn=0.0;
    ts_double x1,x2,x3,ctp,ctm,tot,xlen;
    ts_double h,ht;
    for(jj=1; jj<=vtx->neigh_no;jj++){
        jjp=jj+1;
        if(jjp>vtx->neigh_no) jjp=1;
        jjm=jj-1;
        if(jjm<1) jjm=vtx->neigh_no;
        j=vtx->neigh[jj-1];
        jp=vtx->neigh[jjp-1];
        jm=vtx->neigh[jjm-1];
        jt=vtx->tristar[jj-1];
        x1=vtx_distance_sq(vtx,jp); //shouldn't be zero!
        x2=vtx_distance_sq(j,jp); // shouldn't be zero!
        x3=(j->x-jp->x)*(vtx->x-jp->x)+
           (j->y-jp->y)*(vtx->y-jp->y)+
           (j->z-jp->z)*(vtx->z-jp->z);
        
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
        ctp=x3/sqrt(x1*x2-x3*x3);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
        ctp=x3/sqrtf(x1*x2-x3*x3);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
        ctp=x3/sqrtl(x1*x2-x3*x3);
#endif
        x1=vtx_distance_sq(vtx,jm);
        x2=vtx_distance_sq(j,jm);
        x3=(j->x-jm->x)*(vtx->x-jm->x)+
           (j->y-jm->y)*(vtx->y-jm->y)+
           (j->z-jm->z)*(vtx->z-jm->z);
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
        ctm=x3/sqrt(x1*x2-x3*x3);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
        ctm=x3/sqrtf(x1*x2-x3*x3);
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
        ctm=x3/sqrtl(x1*x2-x3*x3);
#endif
        tot=ctp+ctm;
        tot=0.5*tot;
 
        xlen=vtx_distance_sq(j,vtx);
/*
#ifdef  TS_DOUBLE_DOUBLE 
        vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrt(xlen); 
#endif
#ifdef  TS_DOUBLE_FLOAT
        vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrtf(xlen); 
#endif
#ifdef  TS_DOUBLE_LONGDOUBLE 
        vtx->bond[jj-1]->bond_length=sqrtl(xlen); 
#endif
 
        vtx->bond[jj-1]->bond_length_dual=tot*vtx->bond[jj-1]->bond_length;
*/
        s+=tot*xlen;
        xh+=tot*(j->x - vtx->x);
        yh+=tot*(j->y - vtx->y);
        zh+=tot*(j->z - vtx->z);
        txn+=jt->xnorm;
        tyn+=jt->ynorm;
        tzn+=jt->znorm;
    }
    
    h=xh*xh+yh*yh+zh*zh;
    ht=txn*xh+tyn*yh + tzn*zh;
    s=s/4.0; 
#ifdef TS_DOUBLE_DOUBLE
    if(ht>=0.0) {
        vtx->curvature=sqrt(h);
    } else {
        vtx->curvature=-sqrt(h);
    }
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_FLOAT
    if(ht>=0.0) {
        vtx->curvature=sqrtf(h);
    } else {
        vtx->curvature=-sqrtf(h);
    }
#endif
#ifdef TS_DOUBLE_LONGDOUBLE
    if(ht>=0.0) {
        vtx->curvature=sqrtl(h);
    } else {
        vtx->curvature=-sqrtl(h);
    }
#endif
// c is forced curvature energy for each vertex. Should be set to zero for
// normal circumstances.
    vtx->energy=0.5*s*(vtx->curvature/s-vtx->c)*(vtx->curvature/s-vtx->c);
 
    return TS_SUCCESS;
}