Question

我正在尝试为具有周期性或反射边界条件的2d盒中的lennard-jones流体编写分子动力学模拟。模拟似乎与反射边界运行良好，但由于某种原因，周期框中的粒子在几百个积分步骤后开始获得额外的速度，并且最终没有粒子保留在盒子中。

我知道通过将时间步长设置得太小可能会导致失控速度。然而，当我使用相同的速度 - verlet算法运行模拟时，我无法看到这可能是失控速度的原因，特别是当反射边界运行良好时。我认为在两种情况下用于评估颗粒上的力或颗粒分离的方法可能存在错误，但我自己无法找到它。

我用来评估力量的代码如下：

public static Vector3d LJForce(Particle3d a, Particle3d b,
        Vector3d particleSep) {

    //Define R (for simplicity)
    Vector3d R = particleSep; //(b-a)

    return new Vector3d(Vector3d.multVector3d(
            -24*EPSILON*(2*power12(SIGMA/R.getMag())/R.getMag()
                    -power6(SIGMA/R.getMag())/R.getMag()), R));
}

这应该让lennard-jones力作用于每个粒子。根据边界条件确定颗粒分离。反思是：

@Override
public Vector3d getParticleSeparation(Particle3d a, Particle3d b) {
    return Particle3d.sepParticle3d(a, b);
}

与

一起使用

@Override
public void checkBoundaries(Particle3d a)   {
    Vector3d position = a.getPosition();
    Vector3d velocity = a.getVelocity();

    /*
     * We want to check the x,y and z coordinates. If
     * they break the boundaries we need to reflect 
     * the position in that coordinate and invert the
     * velocity in that axis.
     */
    //X coordinate
    if(position.getX()<0.0) {
        position.setX(Math.abs(position.getX()));
        velocity.setX(-velocity.getX());    
    }
    else if(position.getX()>getWidth()) {
        double howFar = position.getX()-getWidth();
        position.setX(getWidth()-howFar);
        velocity.setX(-velocity.getX());
    }   
    else    {}
    //Y coordinate
    if(position.getY()<0.0) {
        position.setY(Math.abs(position.getY()));
        velocity.setY(-velocity.getY());    
    }
    else if(position.getY()>getWidth()) {
        double howFar = position.getY()-getWidth();
        position.setY(getWidth()-howFar);
        velocity.setY(-velocity.getY());
    }   
    else    {}
    //Z coordinate
    if(position.getZ()<0.0) {
        position.setZ(Math.abs(position.getZ()));
        velocity.setZ(-velocity.getZ());    
    }
    else if(position.getZ()>getWidth()) {
        double howFar = position.getZ()-getWidth();
        position.setZ(getWidth()-howFar);
        velocity.setZ(-velocity.getZ());
    }   
    else    {}

    a.setPosition(position);
    a.setVelocity(velocity);
}//End checkBoundaries(i)

将粒子保留在盒子中。另一方面，对于周期性......

@Override
public Vector3d getParticleSeparation(Particle3d a,Particle3d b) {
    Vector3d sep = Particle3d.sepParticle3d(a, b);
    if(sep.getX()>=(double)getWidth()/2)    {
        sep.setX(sep.getX()-getWidth());
    }   else{}
    if(sep.getY()>=(double)getWidth()/2)    {
        sep.setY(sep.getY()-getWidth());
    }   else{}
    if(sep.getZ()>=(double)getWidth()/2)    {
        sep.setZ(sep.getZ()-getWidth());
    }   else{}

    return sep;
}

给出粒子分离和

@Override
public void checkBoundaries(Particle3d a) {
    Vector3d position = new Vector3d();

    position.setX((getWidth()+a.getPosition().getX())%getWidth());
    position.setY((getWidth()+a.getPosition().getY())%getWidth());
    position.setZ((getWidth()+a.getPosition().getZ())%getWidth());

    a.setPosition(position);
}

检查边界。两种分离方法都调用

//Relative seperation
public static Vector3d sepParticle3d( Particle3d a, Particle3d b) {
    return new Vector3d(Vector3d.subVector3d(b.getPosition(),a.getPosition()));
}

这只是笛卡尔空间中两个粒子的矢量分离。我的编码是否存在错误或其他原因导致我的模拟因周期性边界条件而崩溃？

由于

Answer 1

也许你已经弄明白了，但我认为错误在于checkBoundaries代码中的周期性边界。我可能错了，但我认为你不能在浮点/双打上使用％运算符。我认为代码应该是（另见https://en.wikipedia.org/wiki/Periodic_boundary_conditions）

Vector3d op = a.getPosition(); //old position
double w = getWidth();
position.setX( op.getX() - w*((int)(2*op.getX()-1)) );
position.setX( op.getY() - w*((int)(2*op.getY()-1)) );
position.setX( op.getZ() - w*((int)(2*op.getZ()-1)) );

在周期分子动力学模拟中实现Velocity Verlet算法时的失控速度

1 个答案: