×

关于Kohn-Sham方程的自适应有限元分析:方法、算法和实现。 (英语) Zbl 1352.65460号

摘要:本文详细介绍并讨论了计算Kohn-Sham方程的数值代码的实现。考虑了一种在密度泛函理论背景下,使用基于实空间有限元离散化的实空间方法求解量子多体问题的完全自洽方法。研究了各种数值问题,如(i)初始网格运动,旨在使离子和顶点对齐;(ii)基于Kelly误差估计的网格先验和后验优化;(iii)有限元离散化中求积规则和多项式插值次数变化对所得总能量的影响。此外,(iv)比较了处理离子势的显式、隐式和高斯方法。采用四极展开为泊松问题提供边界条件。为了证明我们方法的可靠性,我们对氢、氦、锂、碳、氧、氖、氢分子离子和一氧化碳分子进行了精确计算。在并行计算环境中,我们的方法、算法和实现在总能量收敛方面是稳定的。

MSC公司:

65N25型 含偏微分方程边值问题特征值问题的数值方法
65N30型 含偏微分方程边值问题的有限元、Rayleigh-Ritz和Galerkin方法
PDF格式BibTeX公司 XML格式引用
全文: 内政部

参考文献:

[1] 霍恩伯格,《非均匀电子气体》,《物理评论》136(3B)pp B864–(1964)·doi:10.103/物理版本136.B864
[2] 科恩,包括交换和相关效应的自洽方程,《物理评论》140(4A)第A1133页–(1965)·doi:10.1103/PhysRev.140.A1133
[3] Linder C关于固体材料中微观力学现象的计算建模
[4] Young,《计算机物理通信》第66页–(2013年)
[5] Motamarri,Kohn-Sham密度泛函理论的高阶自适应有限元方法,计算物理杂志253(15),第308页–(2012年6月)
[6] Fang,基于六面体有限元的Kohn-Sham方程求解器,计算物理杂志231(8)pp 3166–(2012)·Zbl 1245.82007年 ·doi:10.1016/j.jcp.2011.12.043
[7] Pask,从头算电子结构计算中的有限元方法,材料科学与工程建模与模拟13(3)第R71页–(2005)·doi:10.1088/0965-0393/13/R01
[8] 张,基于自适应四面体网格求解Kohn-Sham方程的有限元方法,《物理快报》A 372(30)pp 5071–(2008)·Zbl 1221.81225号 ·doi:10.1016/j.physleta.2008.05.075
[9] Bylaska,用于求解密度泛函理论精确Kohn-Sham方程的自适应有限元方法,化学理论与计算杂志5(4),第937页–(2009)·doi:10.1021/ct800350j
[10] Bao,采用自适应网格重分布技术的有限元法对Kohn-Sham方程进行数值求解,科学计算杂志55(2)pp 372–(2012)·Zbl 1272.82003年 ·doi:10.1007/s10915-012-9636-1
[11] Sukumar,Bloch周期边界条件的经典和丰富有限元公式,《国际工程数值方法杂志》77(8),第1121页–(2009)·Zbl 1156.81313号 ·doi:10.1002/nme.2457
[12] Fattebert,局部重新定义网格上密度泛函理论计算的有限元方法,计算物理杂志223(2)pp 759–(2007)·Zbl 1132.65106号 ·doi:10.1016/j.jcp.2006.10.013
[13] 巴奇,通用多中心电子结构计算的计算方法,《物理评论》E 61(6),第7169页–(2000)·doi:10.1103/PhysRevE.61.7169
[14] Batcho,单粒子薛定谔方程的光谱精确数值解,《物理评论》A 57(6)pp 4246–(1998)·doi:10.103/物理版本A.57.4246
[15] Tsuchida,基于有限元方法的电子结构计算,《物理评论》B 52第5573页–(1995)·doi:10.1103/PhysRevB.52.5573
[16] 怀特,电子结构的有限元法,《物理评论》B 39第5819页–(1989)·doi:10.1103/PhysRevB.39.5819
[17] Schauer,层次有限元空间上的全电子Kohn-Sham密度泛函理论,计算物理杂志250 pp 1–(2013)·Zbl 06653030号 ·doi:10.1016/j.jcp.2013.04.020
[18] Lehtovara,高阶有限元的全电子密度泛函理论和含时密度泛函,化学物理杂志131(5)pp 054103–(2009)·数字对象标识代码:10.1063/1.3176508
[19] Kohn SR Weare JH Ong EG Baden SB电子结构计算的并行自适应网格精化第八届科学计算并行处理SIAM会议论文集1997年明尼苏达州明尼阿波利斯SIAM
[20] Suryanarayana,Kohn-Sham密度泛函理论的非周期有限元公式,固体力学和物理杂志58(2),第256页–(2010)·兹比尔1193.81006 ·doi:10.1016/j.jmps.2009.10.002
[21] Pask,电子结构理论中的有限元方法,计算机物理通信135(1)pp 1–(2001)·兹伯利0984.81038 ·doi:10.1016/S0010-4655(00)00212-5
[22] Perdew,多电子系统密度泛函近似的自相互作用校正,《物理评论》B 23(10)第5048页–(1981)·doi:10.1103/PhysRevB.23.5048
[23] Jackson,经典电动力学(1998)
[24] 格里菲斯,电动力学导论(2012)·Zbl 1377.78001号
[25] Pask,全电子库仑问题内垫的线性标度解,国际多尺度计算工程杂志10(1),第83页–(2012)
[26] 罗杰斯,静电治疗的局部分子场理论,《物理学杂志:凝聚物质》20(49),第494206页–(2008)
[27] Saad,应用数学经典,in:大型特征值问题的数值方法:修订版(2011)·Zbl 1242.65068号 ·doi:10.137/1.9781611970739
[28] 班杰斯,成交。II-通用面向对象有限元库,ACM数学软件汇刊33(4)pp 1–(2007年8月)·Zbl 1122.53020号 ·doi:10.1090/S0002-9947-06-03836-0
[29] Bangerth W Heister T Heltai L Kanschat G Kronbichler M Maier M Turcksin B Young TD deal.ii库,版本8.1 2013http://arxiv.org/abs/1312.2266v4 ·Zbl 1348.65187号
[30] Balay S Adams MF Brown J Brune P Buschelman K Eijkhout V Gropp WD Kaushik D Knepley MG McInnes LC Rupp K Smith BF Zhang H PETS-c用户手册2013http://www.mcs.anl.gov/petsc
[31] Hernandez,SLEPc:用于解决特征值问题的可扩展且灵活的工具包,《ACM数学软件汇刊》31(3),第351页–(2005)·Zbl 1136.65315号 ·数字对象标识代码:10.1145/1089014.1089019
[32] Heroux,trilinos项目概述,ACM Trans。数学。柔和。31(3)第397页–(2005)·Zbl 1136.65354号 ·数字对象标识代码:10.1145/1089014.108901
[33] Karypis,一种快速高质量的不规则图分割多级方案,SIAM科学计算杂志20(1),第359页–(1998)·Zbl 0915.68129号 ·doi:10.1137/S1064827595287997
[34] Marques,Libxc:密度泛函理论的交换和相关泛函库,《计算机物理通信》183(10),第2272页–(2012)·doi:10.1016/j.cpc.2012.05.007
[35] Jasak,非结构化有限体积方法的自动网格运动,Famena学报30第1页–(2006)
[36] 克努普PM Ernst CET Thompson DCSNL Stimpson CET Pebey PP裁决几何质量库。2006http://www.osi.gov/scitech/servlets/purl/901967
[37] Scherer,《缺陷与材料力学》第117页–(2008年)·doi:10.1007/978-1-4020-6929-1_12
[38] Larson,自共轭椭圆特征值问题有限元近似的后验和先验误差分析,SIAM数值分析杂志38(2),第608-(2000)页·Zbl 0974.65100号 ·doi:10.1137/S0036142997320164
[39] Garau,自适应有限元法求解steklov特征值问题的收敛性和准最优性,IMA数值分析杂志31(3),第914页–(2011)·Zbl 1225.65107号 ·doi:10.1093/imanum/drp055
[40] Heuveline,椭圆特征值问题有限元近似的后验误差控制,计算数学进展15(1-4)pp 107–(2001)·Zbl 0995.65111号 ·doi:10.1023/A:1014291224961
[41] Dai,多特征值自适应有限元计算的收敛性和准最优复杂性,IMA数值分析杂志35(4)pp 1934–(2014)·Zbl 1332.65159号 ·doi:10.1093/imanum/dru059
[42] Dai,自适应有限元特征值计算的收敛性和最佳复杂性,Numerische Mathematik 110(3)pp 313–(2008)·Zbl 1159.65090号 ·数字标识代码:10.1007/s00211-008-0169-3
[43] Mao,基于局部平均型后验误差估计的特征值问题自适应有限元算法,计算数学进展25(1-3)pp 135–(2006)·Zbl 1103.65112号 ·doi:10.1007/s10444-004-7617-0
[44] Garau,特征值问题自适应有限元方法的收敛性,应用科学中的数学模型和方法19(05)pp 721–(2009)·兹比尔1184.65100 ·doi:10.1142/S0218202509003590
[45] Chen,kohn-sham模型的自适应有限元近似,多尺度建模与仿真12(4)pp 1828–(2014)·Zbl 1316.35260号 ·数字对象标识代码:10.1137/130916096
[46] Durán,特征值问题有限元近似的后验误差估计,应用科学数学模型和方法13(08),第1219页–(2003)·Zbl 1072.65144号 ·doi:10.1142/S021820503002878
[47] Ainsworth,有限元分析中的后验误差估计,应用力学和工程中的计算机方法142 pp 1–(1997)·Zbl 0895.76040号 ·doi:10.1016/S0045-7825(96)01107-3
[48] 安斯沃思,《纯粹与应用数学:威利系列文本、专著和专题》,收录于:有限元分析中的后验误差估计(2011)
[49] Kelly,《有限元法中的后验误差分析和自适应过程:第一部分误差分析》,《国际工程数值方法杂志》19(11),第1593页–(1983)·Zbl 0534.65068号 ·doi:10.1002/nme.1620191103
[50] Young,谐振子Schrödinger本征问题有限元处理的h自适应细化策略,理论物理通信53(6)pp 1017–(2010)·Zbl 1229.81082号 ·doi:10.1088/0253-6102/53/6/04
[51] Dörfler,泊松方程的收敛自适应算法,SIAM数值分析杂志33(3)第1106页–(1996)·Zbl 0854.65090号 ·数字对象标识代码:10.1137/0733054
[52] Richter T自适应有限元并行多重网格法及其在三维流动问题中的应用博士论文2005
[53] 乔提克,《数据状态:用于原子结构计算的稳健通用Schrödinger和Dirac解算器》,《计算机物理通信》184(7)第1777页–(2013)·兹比尔1286.81010 ·doi:10.1016/j.cpc.2013.02.014
[54] 加藤,《量子力学中多粒子系统的本征函数》,《纯粹与应用数学通讯》10(2),第151页–(1957)·Zbl 0077.20904 ·doi:10.1002/cpa3160100201
[55] Bingel,分子波函数尖点条件的物理解释,Theoretica chimica acta 8(1)pp 54–(1967)·doi:10.1007/BF00533624
[56] Geuzaine,Gmsh:具有内置预处理和后处理设施的三维有限元网格生成器,《国际工程数值方法杂志》79(11),第1309页–(2009年9月)·Zbl 1176.74181号 ·doi:10.1002/nme.2579
此参考列表基于出版商或数字数学图书馆提供的信息。其项与zbMATH标识符进行启发式匹配,可能包含数据转换错误。在某些情况下,zbMATH Open的数据对这些数据进行了补充/增强。这试图尽可能准确地反映原始论文中列出的参考文献,而不要求完整或完全匹配。