常见计算任务流程梳理：平衡态计算、非平衡态计算及复杂流程模拟

无论是做第一性原理还是分子模拟计算，我们都是为了实现一定的目的。分子模拟可以计算的内容很多，为了实现不同的目的，需要选择合适的流程、系综等，今天为大家介绍一些分子模拟的常见任务流程。

01

平衡态计算

有时候我们需要研究不同温压条件下模拟体系内的局域结构（RDF、CN等）、简单热力学性质（密度、比热等）。

对于平衡态的计算，通常任务流程为：构建合理的初始结构—设定合适的力场参数—Minimization—NVT—NPT—NVT（采样）—数据后处理—绘图。

# Simulation details
units    real
dimension  3
boundary  p p p

atom_style  full
pair_style  lj/cut/tip4p/cut 1 2 1 1 0.1546 10 8.5
bond_style  harmonic
angle_style  harmonic

# 构建合适的初始结构
read_data  model.data

# 设定合适的力场参数
pair_coeff   1 1  0.1852  3.1589
pair_coeff   1 2  0       0
pair_coeff   2 2  0       0

bond_coeff   1 527 0.9572
angle_coeff 1 37.95 104.52

group     water type 1 2

velocity  all create 298 123456 mom yes rot yes dist gaussian units box

thermo    100
thermo_style  custom step temp press vol etotal ke pe

# 能量最小化
minimize  1.0e-4 1.0e-6 1000 10000

# NVT
fix      1 water shake 1.0e-4 200 0 b 1 a 1
fix      2 nvt temp 298 298 100
run      50000
unfix    2

# NPT
fix      3 npt temp 298 298 100 iso 10 10 1000
run      50000
unfix    3

# NVT, sampling
fix      4 nvt temp 298 298 100
run      50000
write_data  H2O.data

02

非平衡态计算

在一些特殊的情况，需要对体系施加外力（电场、磁场等），使得体系随时间不断变化，我们称之为非平衡态计算。

这里以RNEMD方法计算粘度为例介绍其基本流程：构建合理的初始结构—设定合适的力场参数—Minimization—NVT—NPT—NVE（fix viscosity，采样）—数据后处理—绘图。

图2中1-41行与平衡态计算一致，特别注意44-47行。其中44-45行对模拟体系进行分层，共等分为1/0.05=20层，并记录了每一层x方向速度；46行fix viscosity执行RNEMD算法，详情见链接：

https://docs.lammps.org/fix_viscosity.html；

47行对动力学进行积分，更新原子坐标与速度。计算完成后，从lammps的log文件内获取动量交换量，从velocity_profile.dat文件获取体系速度分布；

根据公式进行计算得出：

# Simulation details
units    real
dimension  3
boundary  p p p

atom_style  full
pair_style  lj/cut/tip4p/cut 1 2 1 1 0.1546 10 8.5
bond_style  harmonic
angle_style  harmonic

# 构建合适的初始结构
read_data  model.data

# 设定合适的力场参数
pair_coeff   1 1  0.1852  3.1589
pair_coeff   1 2  0       0
pair_coeff   2 2  0       0

bond_coeff   1 527 0.9572
angle_coeff 1 37.95 104.52

group     water type 1 2

velocity  all create 298 123456 mom yes rot yes dist gaussian units box

thermo    100
thermo_style  custom step temp press vol etotal ke pe

# 能量最小化
minimize  1.0e-4 1.0e-6 1000 10000

# NVT
fix      1 water shake 1.0e-4 200 0 b 1 a 1
fix      2 nvt temp 298 298 100
run      50000
unfix    2

# NPT
fix      3 npt temp 298 298 100 iso 10 10 1000
run      50000
unfix    3

# NVE, RNEMD方法计算粘度
compute    layers all chunk/atom bin/1d z center 0.05 units reduced
fix      4 all ave/chunk 20 50 1000 layers  vx file velocity_profile.dat
fix      5 all viscosity 100 x z 20
fix      6 nve
variable  dVx equal f_4[11][3]-f_4[1][3]
thermo    1000
thermo_style  custom step temp press etotal v_dVx f_5 
run      500000

03

更复杂的情况

复杂的模拟可以被拆解为几个部分，无非也是选择合适的系综，对体系部分原子进行一定的限制。以圆锥形SiC磨粒磨削单晶Si为例，模拟流程为：

（1）建模：单晶硅分为三个区域：边界区、恒温区、牛顿区。磨粒为圆锥形，材料为SiC。

（2）模拟初始化，固定边界原子，设置磨粒原子为刚性原子。

（3）能量最小化，对系统进行弛豫，使体系能量达到最低。

（4）设置恒温区温度为300K。

（5）设置系综，设置磨粒移动方向和速度。

（6）输出轨迹文件、输出三个方向受力。

以上是常见的分子模拟计算任务流程，具体案例说明见下期分享~

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