source: palm/trunk/SOURCE/diffusion_u.f90 @ 2118

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  • Property svn:keywords set to Id
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[1873]1!> @file diffusion_u.f90
[2000]2!------------------------------------------------------------------------------!
[1036]3! This file is part of PALM.
4!
[2000]5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
[1036]9!
10! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
11! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
12! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
13!
14! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
15! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
16!
[2101]17! Copyright 1997-2017 Leibniz Universitaet Hannover
[2000]18!------------------------------------------------------------------------------!
[1036]19!
[484]20! Current revisions:
[1]21! -----------------
[2118]22! OpenACC version of subroutine removed
[1341]23!
[1321]24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: diffusion_u.f90 2118 2017-01-17 16:38:49Z raasch $
27!
[2038]28! 2037 2016-10-26 11:15:40Z knoop
29! Anelastic approximation implemented
30!
[2001]31! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
32! Forced header and separation lines into 80 columns
33!
[1874]34! 1873 2016-04-18 14:50:06Z maronga
35! Module renamed (removed _mod)
36!
[1851]37! 1850 2016-04-08 13:29:27Z maronga
38! Module renamed
39!
[1741]40! 1740 2016-01-13 08:19:40Z raasch
41! unnecessary calculations of kmzm and kmzp in wall bounded parts removed
42!
[1692]43! 1691 2015-10-26 16:17:44Z maronga
44! Formatting corrections.
45!
[1683]46! 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop
47! Code annotations made doxygen readable
48!
[1341]49! 1340 2014-03-25 19:45:13Z kanani
50! REAL constants defined as wp-kind
51!
[1321]52! 1320 2014-03-20 08:40:49Z raasch
[1320]53! ONLY-attribute added to USE-statements,
54! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
55! kinds are defined in new module kinds,
56! revision history before 2012 removed,
57! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
58! all variable declaration statements
[1321]59!
[1258]60! 1257 2013-11-08 15:18:40Z raasch
61! openacc loop and loop vector clauses removed, declare create moved after
62! the FORTRAN declaration statement
63!
[1132]64! 1128 2013-04-12 06:19:32Z raasch
65! loop index bounds in accelerator version replaced by i_left, i_right, j_south,
66! j_north
67!
[1037]68! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
69! code put under GPL (PALM 3.9)
70!
[1017]71! 1015 2012-09-27 09:23:24Z raasch
72! accelerator version (*_acc) added
73!
[1002]74! 1001 2012-09-13 14:08:46Z raasch
75! arrays comunicated by module instead of parameter list
76!
[979]77! 978 2012-08-09 08:28:32Z fricke
78! outflow damping layer removed
79! kmym_x/_y and kmyp_x/_y change to kmym and kmyp
80!
[1]81! Revision 1.1  1997/09/12 06:23:51  raasch
82! Initial revision
83!
84!
85! Description:
86! ------------
[1682]87!> Diffusion term of the u-component
88!> @todo additional damping (needed for non-cyclic bc) causes bad vectorization
89!>       and slows down the speed on NEC about 5-10%
[1]90!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]91 MODULE diffusion_u_mod
92 
[1]93
[56]94    USE wall_fluxes_mod
95
[1]96    PRIVATE
[2118]97    PUBLIC diffusion_u
[1]98
99    INTERFACE diffusion_u
100       MODULE PROCEDURE diffusion_u
101       MODULE PROCEDURE diffusion_u_ij
102    END INTERFACE diffusion_u
103
104 CONTAINS
105
106
107!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]108! Description:
109! ------------
110!> Call for all grid points
[1]111!------------------------------------------------------------------------------!
[1001]112    SUBROUTINE diffusion_u
[1]113
[1320]114       USE arrays_3d,                                                          &
[2037]115           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w,                  &
116                  drho_air, rho_air_zw
[1320]117       
118       USE control_parameters,                                                 &
119           ONLY:  constant_top_momentumflux, topography, use_surface_fluxes,   &
120                  use_top_fluxes
121       
122       USE grid_variables,                                                     &
123           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
124       
125       USE indices,                                                            &
126           ONLY:  nxl, nxlu, nxr, nyn, nys, nzb, nzb_diff_u, nzb_u_inner,      &
127                  nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
128       
129       USE kinds
[1]130
131       IMPLICIT NONE
132
[1682]133       INTEGER(iwp) ::  i     !<
134       INTEGER(iwp) ::  j     !<
135       INTEGER(iwp) ::  k     !<
136       REAL(wp)     ::  kmym  !<
137       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
138       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
139       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
[1001]140
[1682]141       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nys:nyn,nxl:nxr) ::  usvs  !<
[1]142
[56]143!
144!--    First calculate horizontal momentum flux u'v' at vertical walls,
145!--    if neccessary
146       IF ( topography /= 'flat' )  THEN
[1320]147          CALL wall_fluxes( usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, nzb_u_inner, &
[56]148                            nzb_u_outer, wall_u )
149       ENDIF
150
[106]151       DO  i = nxlu, nxr
[1001]152          DO  j = nys, nyn
[1]153!
154!--          Compute horizontal diffusion
155             DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
156!
157!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]158                kmyp = 0.25_wp *                                               &
[978]159                       ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
[1340]160                kmym = 0.25_wp *                                               &
[978]161                       ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]162
[1320]163                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
[1340]164                      & + 2.0_wp * (                                           &
[1320]165                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )    &
166                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )    &
[1340]167                      &            ) * ddx2                                    &
[1320]168                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy         &
169                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx         &
170                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
171                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
[1]172                      &   ) * ddy
173             ENDDO
174
175!
176!--          Wall functions at the north and south walls, respectively
[1340]177             IF ( wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[51]178
[1]179                DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
[1340]180                   kmyp = 0.25_wp *                                            &
[978]181                          ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
[1340]182                   kmym = 0.25_wp *                                            &
[978]183                          ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]184
185                   tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                   &
[1340]186                                 + 2.0_wp * (                                  &
[1]187                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
188                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
[1340]189                                            ) * ddx2                           &
[1]190                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
[978]191                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
192                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
[1]193                                                  )                            &
194                                     - fym(j,i) * (                            &
[978]195                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
196                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
[1]197                                                  )                            &
[56]198                                     + wall_u(j,i) * usvs(k,j,i)               &
[1]199                                   ) * ddy
200                ENDDO
201             ENDIF
202
203!
204!--          Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
205!--          index k starts at nzb_u_inner+2.
[102]206             DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
[1]207!
208!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]209                kmzp = 0.25_wp *                                               &
[1]210                       ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
[1340]211                kmzm = 0.25_wp *                                               &
[1]212                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
213
[1320]214                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
215                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
216                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
[2037]217                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
[1320]218                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
219                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
[2037]220                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
221                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]222             ENDDO
223
224!
225!--          Vertical diffusion at the first grid point above the surface,
226!--          if the momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or
227!--          if it is prescribed by the user.
228!--          Difference quotient of the momentum flux is not formed over half
229!--          of the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison
[1320]230!--          with other (LES) models showed that the values of the momentum
[1]231!--          flux becomes too large in this case.
232!--          The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
233!--          because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
234             IF ( use_surface_fluxes )  THEN
235                k = nzb_u_inner(j,i)+1
236!
237!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]238                kmzp = 0.25_wp *                                               &
[1]239                      ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
240
[1320]241                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
[2037]242                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
243                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
244                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
245                      &   - ( -usws(j,i) )                                     &
246                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]247             ENDIF
248
[102]249!
250!--          Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
251!--          if the momentum flux at the top is prescribed by the user
[103]252             IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
[102]253                k = nzt
254!
255!--             Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]256                kmzm = 0.25_wp *                                               &
[102]257                       ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
258
[1320]259                tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                      &
[2037]260                      & + ( ( -uswst(j,i) )                                    &
261                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
262                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
263                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
264                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[102]265             ENDIF
266
[1]267          ENDDO
268       ENDDO
269
270    END SUBROUTINE diffusion_u
271
272
273!------------------------------------------------------------------------------!
[1682]274! Description:
275! ------------
276!> Call for grid point i,j
[1]277!------------------------------------------------------------------------------!
[1001]278    SUBROUTINE diffusion_u_ij( i, j )
[1]279
[1320]280       USE arrays_3d,                                                          &
[2037]281           ONLY:  ddzu, ddzw, km, tend, u, usws, uswst, v, w,                  &
282                  drho_air, rho_air_zw
[1320]283       
284       USE control_parameters,                                                 &
285           ONLY:  constant_top_momentumflux, use_surface_fluxes, use_top_fluxes
286       
287       USE grid_variables,                                                     &
288           ONLY:  ddx, ddx2, ddy, fym, fyp, wall_u
289       
290       USE indices,                                                            &
291           ONLY:  nzb, nzb_diff_u, nzb_u_inner, nzb_u_outer, nzt, nzt_diff
292       
293       USE kinds
[1]294
295       IMPLICIT NONE
296
[1682]297       INTEGER(iwp) ::  i     !<
298       INTEGER(iwp) ::  j     !<
299       INTEGER(iwp) ::  k     !<
300       REAL(wp)     ::  kmym  !<
301       REAL(wp)     ::  kmyp  !<
302       REAL(wp)     ::  kmzm  !<
303       REAL(wp)     ::  kmzp  !<
[1]304
[1682]305       REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1) ::  usvs  !<
[1001]306
[1]307!
308!--    Compute horizontal diffusion
309       DO  k = nzb_u_outer(j,i)+1, nzt
310!
311!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]312          kmyp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
313          kmym = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]314
[1320]315          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
[1340]316                      & + 2.0_wp * (                                           &
[1320]317                      &           km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i)   )    &
318                      &         - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i)   - u(k,j,i-1) )    &
[1340]319                      &            ) * ddx2                                    &
[1320]320                      & + ( kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy         &
321                      &   + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx         &
322                      &   - kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy             &
323                      &   - kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx             &
[1]324                      &   ) * ddy
325       ENDDO
326
327!
328!--    Wall functions at the north and south walls, respectively
[1691]329       IF ( wall_u(j,i) /= 0.0_wp )  THEN
[51]330
331!
332!--       Calculate the horizontal momentum flux u'v'
[1320]333          CALL wall_fluxes( i, j, nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i),        &
334                            usvs, 1.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp, 0.0_wp )
[51]335
[1]336          DO  k = nzb_u_inner(j,i)+1, nzb_u_outer(j,i)
[1340]337             kmyp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j+1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j+1,i-1) )
338             kmym = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k,j-1,i)+km(k,j,i-1)+km(k,j-1,i-1) )
[1]339
340             tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                         &
[1340]341                                 + 2.0_wp * (                                  &
[1]342                                       km(k,j,i)   * ( u(k,j,i+1) - u(k,j,i) ) &
343                                     - km(k,j,i-1) * ( u(k,j,i) - u(k,j,i-1) ) &
[1340]344                                            ) * ddx2                           &
[1]345                                 + (   fyp(j,i) * (                            &
[978]346                                  kmyp * ( u(k,j+1,i) - u(k,j,i)     ) * ddy   &
347                                + kmyp * ( v(k,j+1,i) - v(k,j+1,i-1) ) * ddx   &
[1]348                                                  )                            &
349                                     - fym(j,i) * (                            &
[978]350                                  kmym * ( u(k,j,i) - u(k,j-1,i) ) * ddy       &
351                                + kmym * ( v(k,j,i) - v(k,j,i-1) ) * ddx       &
[1]352                                                  )                            &
[51]353                                     + wall_u(j,i) * usvs(k)                   &
[1]354                                   ) * ddy
355          ENDDO
356       ENDIF
357
358!
359!--    Compute vertical diffusion. In case of simulating a Prandtl layer,
360!--    index k starts at nzb_u_inner+2.
[102]361       DO  k = nzb_diff_u(j,i), nzt_diff
[1]362!
363!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]364          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
365          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
[1]366
[1320]367          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
368                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
369                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
[2037]370                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
[1320]371                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
372                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
[2037]373                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
374                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]375       ENDDO
376
377!
378!--    Vertical diffusion at the first grid point above the surface, if the
379!--    momentum flux at the bottom is given by the Prandtl law or if it is
380!--    prescribed by the user.
381!--    Difference quotient of the momentum flux is not formed over half of
382!--    the grid spacing (2.0*ddzw(k)) any more, since the comparison with
[1320]383!--    other (LES) models showed that the values of the momentum flux becomes
[1]384!--    too large in this case.
385!--    The term containing w(k-1,..) (see above equation) is removed here
386!--    because the vertical velocity is assumed to be zero at the surface.
387       IF ( use_surface_fluxes )  THEN
388          k = nzb_u_inner(j,i)+1
389!
390!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[1340]391          kmzp = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k+1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k+1,j,i-1) )
[1]392
[1320]393          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
[2037]394                      & + ( kmzp * ( ( u(k+1,j,i) - u(k,j,i)   ) * ddzu(k+1)   &
395                      &            + ( w(k,j,i)   - w(k,j,i-1) ) * ddx         &
396                      &            ) * rho_air_zw(k)                           &
397                      &   - ( -usws(j,i) )                                     &
398                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[1]399       ENDIF
400
[102]401!
402!--    Vertical diffusion at the first gridpoint below the top boundary,
403!--    if the momentum flux at the top is prescribed by the user
[103]404       IF ( use_top_fluxes  .AND.  constant_top_momentumflux )  THEN
[102]405          k = nzt
406!
407!--       Interpolate eddy diffusivities on staggered gridpoints
[2037]408          kmzm = 0.25_wp * ( km(k,j,i)+km(k-1,j,i)+km(k,j,i-1)+km(k-1,j,i-1) )
[102]409
[1320]410          tend(k,j,i) = tend(k,j,i)                                            &
[2037]411                      & + ( ( -uswst(j,i) )                                    &
412                      &   - kmzm * ( ( u(k,j,i)   - u(k-1,j,i)   ) * ddzu(k)   &
413                      &            + ( w(k-1,j,i) - w(k-1,j,i-1) ) * ddx       &
414                      &            ) * rho_air_zw(k-1)                         &
415                      &   ) * ddzw(k) * drho_air(k)
[102]416       ENDIF
417
[1]418    END SUBROUTINE diffusion_u_ij
419
420 END MODULE diffusion_u_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.