算例 7-1：H₂O 分子的 NVE 分子动力学（能量守恒与振动频率）¶

目的¶

用一个孤立水分子做 OpenMX 4.0 的 NVE 第一性原理分子动力学：一个 O–H 键略微拉长（1.02 Å），另一个 0.97 Å，从静止出发让分子自由振动。练习 MD.Type NVE、MD.TimeStep、MD.maxIter、<MD.Init.Velocity 的用法，学会从 H2O_NVE.ene 判断守恒量 Utot + Ukc 是否守恒，并从 .md 轨迹的键长/键角傅里叶变换得到 O–H 伸缩与 H–O–H 弯曲振动频率。

对应教程：第7章第一性原理分子动力学。

文件说明¶

文件	作用
`H2O_NVE.dat`	OpenMX 输入：10 Å 立方盒子、Cluster 求解器、GGA-PBE、Standard 基组，NVE，0.5 fs × 1000 步
`gen_init_velocity.py`	读取 `.dat`，按目标温度生成麦克斯韦–玻尔兹曼初速度（m/s），去除质心运动，输出 `<MD.Init.Velocity` 块
`nve_check.py`	读取 `H2O_NVE.ene` 与 `H2O_NVE.md`：平均温度、守恒量漂移（meV/ps）与峰峰值、键长/键角的振动谱峰位
`job.slurm`	Slurm 作业脚本（4 个 MPI 进程），运行后自动调用 `nve_check.py`

运行步骤¶

修改 H2O_NVE.dat 中的 DATA.PATH，指向同时包含 PAO/ 与 VPS/ 的 DFT_DATA19 目录（官方 deb 包默认在 /opt/openmx4.0/DFT_DATA19）。
运行：

cd OpenMX/examples/07-md-h2o-nve
rm -f H2O_NVE.ene H2O_NVE.md          # OpenMX appends to these files
mpirun -np 4 openmx H2O_NVE.dat -nt 1 | tee H2O_NVE.std
# or: sbatch job.slurm

分析：

python3 nve_check.py H2O_NVE --plot     # writes nve_check.png

（可选）给定 300 K 初速度后重跑：

cp H2O_NVE.dat H2O_NVE_v300.dat
sed -i 's/^System.Name .*/System.Name   H2O_NVE_v300/' H2O_NVE_v300.dat
python3 gen_init_velocity.py H2O_NVE_v300.dat --temp 300 --seed 1 >> H2O_NVE_v300.dat
mpirun -np 4 openmx H2O_NVE_v300.dat -nt 1 > H2O_NVE_v300.std
python3 nve_check.py H2O_NVE_v300

预期结果 / 如何检查¶

运行中：grep -c "time=" H2O_NVE.md 显示已完成步数；grep "scf_conv=0" H2O_NVE.md 应为空（每步 SCF 都收敛）。
nve_check.py 输出格式（示意输出，数值仅供参考）：

steps = 1000, dt = 0.500 fs
<T> = 1xx.x K
E_cons drift = x.xxx meV/ps, peak-to-peak = x.xxx meV
Ukc peak-to-peak = xxx.x meV
bond 1-2       mean =   0.98xx  spectrum peaks near 3xxx cm^-1
bond 1-3       mean =   0.98xx  spectrum peaks near 3xxx cm^-1
angle 2-1-3    mean = 10x.xxxx  spectrum peaks near 1xxx cm^-1

判据：守恒量峰峰值应远小于 Ukc 的峰峰值（例如不到其 1–2%）且无明显单调漂移；O–H 伸缩峰在约 3500–3900 cm⁻¹，弯曲峰在约 1500–1650 cm⁻¹（实验气相基频约 3657、3756 与 1595 cm⁻¹；PBE 误差、非谐性和 500 fs 轨迹约 67 cm⁻¹ 的频率分辨率都会带来偏差）。
若漂移明显：把 MD.TimeStep 减到 0.25 fs，或提高 scf.energycutoff、收紧 scf.criterion 后对比。

注意事项¶

物种名用元素符号（H、O），并让 System.Name 与文件名主干一致，便于后续用 dpdata 的 openmx/md 格式读取。
3 原子体系的瞬时温度涨落非常大（约 ±47%），NVE 中平均温度也会因动能与势能均分而变化，这是正常的。
想用 1.0 fs 时间步，可在物种定义第 4 列把 H 质量设为 2.0（氘），但此时得到的是 D₂O 的振动频率（约为 H₂O 的 1/√2 倍量级）。
输入文件只含 ASCII 字符；在 Windows 编辑后请确认是 LF 换行、无 BOM。

返回教程：第7章第一性原理分子动力学