source: palm/trunk/SOURCE/lpm_collision_kernels.f90 @ 1519

Last change on this file since 1519 was 1519, checked in by hoffmann, 9 years ago

bugfix: check if radius ratio < 1 for computation of collisions

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 46.3 KB
Line 
1 MODULE lpm_collision_kernels_mod
2
3!--------------------------------------------------------------------------------!
4! This file is part of PALM.
5!
6! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
7! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
8! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
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!
17! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
18!--------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22! Bugfix: Using the new particle structure, particles are not sorted by size.
23! Hence, computation of collision efficiencies must ensure that the ratio of
24! two colliding droplets is < 1.
25!
26! Former revisions:
27! -----------------
28! $Id: lpm_collision_kernels.f90 1519 2015-01-08 10:20:42Z hoffmann $
29!
30! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
31! New particle structure integrated.
32! Kind definition added to all floating point numbers.
33!
34! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
35! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
36! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
37!
38! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
39! REAL constants defined as wp_kind
40!
41! 1320 2014-03-20 08:40:49Z
42! ONLY-attribute added to USE-statements,
43! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
44! kinds are defined in new module kinds,
45! revision history before 2012 removed,
46! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
47! all variable declaration statements
48!
49! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
50! unused variables removed
51!
52! 1071 2012-11-29 16:54:55Z franke
53! Bugfix: collision efficiencies for Hall kernel should not be < 1.0E-20
54!
55! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
56! code put under GPL (PALM 3.9)
57!
58! 1007 2012-09-19 14:30:36Z franke
59! converted all units to SI units and replaced some parameters by corresponding
60! PALM parameters
61! Bugfix: factor in calculation of enhancement factor for collision efficencies
62! changed from 10. to 1.0
63!
64! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
65! routine collision_efficiency_rogers added (moved from former advec_particles
66! to here)
67!
68! 835 2012-02-22 11:21:19Z raasch $
69! Bugfix: array diss can be used only in case of Wang kernel
70!
71! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
72! code has been completely reformatted, routine colker renamed
73! recalculate_kernel,
74! routine init_kernels added, radius is now communicated to the collision
75! routines by array radclass
76!
77! Bugfix: transformation factor for dissipation changed from 1E5 to 1E4
78!
79! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
80! routine renamed from wang_kernel to lpm_collision_kernels,
81! turbulence_effects on collision replaced by wang_kernel
82!
83! 790 2011-11-29 03:11:20Z raasch
84! initial revision
85!
86! Description:
87! ------------
88! This module calculates collision efficiencies either due to pure gravitational
89! effects (Hall kernel, see Hall, 1980: J. Atmos. Sci., 2486-2507) or
90! including the effects of (SGS) turbulence (Wang kernel, see Wang and
91! Grabowski, 2009: Atmos. Sci. Lett., 10, 1-8). The original code has been
92! provided by L.-P. Wang but is substantially reformatted and speed optimized
93! here.
94!
95! ATTENTION:
96! Physical quantities (like g, densities, etc.) used in this module still
97! have to be adjusted to those values used in the main PALM code.
98! Also, quantities in CGS-units should be converted to SI-units eventually.
99!------------------------------------------------------------------------------!
100
101    USE constants,                                                             &
102        ONLY:  pi
103       
104    USE kinds
105
106    USE particle_attributes,                                                   &
107        ONLY:  collision_kernel, dissipation_classes, particles, radius_classes
108
109    USE pegrid
110
111
112    IMPLICIT NONE
113
114    PRIVATE
115
116    PUBLIC  ckernel, collision_efficiency_rogers, init_kernels, &
117            rclass_lbound, rclass_ubound, recalculate_kernel
118
119    REAL(wp) ::  epsilon       !:
120    REAL(wp) ::  eps2          !:
121    REAL(wp) ::  rclass_lbound !:
122    REAL(wp) ::  rclass_ubound !:
123    REAL(wp) ::  urms          !:
124    REAL(wp) ::  urms2         !:
125
126    REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  epsclass !:
127    REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  radclass !:
128    REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  winf     !:
129   
130    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ec       !:
131    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ecf      !:
132    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  gck      !:
133    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  hkernel  !:
134    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  hwratio  !:
135   
136    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE   ::  ckernel !:
137
138    SAVE
139
140!
141!-- Public interfaces
142    INTERFACE collision_efficiency_rogers
143       MODULE PROCEDURE collision_efficiency_rogers
144    END INTERFACE collision_efficiency_rogers
145
146    INTERFACE init_kernels
147       MODULE PROCEDURE init_kernels
148    END INTERFACE init_kernels
149
150    INTERFACE recalculate_kernel
151       MODULE PROCEDURE recalculate_kernel
152    END INTERFACE recalculate_kernel
153
154
155    CONTAINS
156
157
158    SUBROUTINE init_kernels
159!------------------------------------------------------------------------------!
160! Initialization of the collision efficiency matrix with fixed radius and
161! dissipation classes, calculated at simulation start only.
162!------------------------------------------------------------------------------!
163
164       IMPLICIT NONE
165
166       INTEGER(iwp) ::  i !:
167       INTEGER(iwp) ::  j !:
168       INTEGER(iwp) ::  k !:
169
170
171!
172!--    Calculate collision efficiencies for fixed radius- and dissipation
173!--    classes
174       IF ( collision_kernel(6:9) == 'fast' )  THEN
175
176          ALLOCATE( ckernel(1:radius_classes,1:radius_classes,               &
177                    0:dissipation_classes), epsclass(1:dissipation_classes), &
178                    radclass(1:radius_classes) )
179
180!
181!--       Calculate the radius class bounds with logarithmic distances
182!--       in the interval [1.0E-6, 2.0E-4] m
183          rclass_lbound = LOG( 1.0E-6_wp )
184          rclass_ubound = LOG( 2.0E-4_wp )
185          radclass(1)   = 1.0E-6_wp
186          DO  i = 2, radius_classes
187             radclass(i) = EXP( rclass_lbound +                                &
188                                ( rclass_ubound - rclass_lbound ) *            &
189                                ( i - 1.0_wp ) / ( radius_classes - 1.0_wp ) )
190          ENDDO
191
192!
193!--       Set the class bounds for dissipation in interval [0.0, 0.1] m**2/s**3
194          DO  i = 1, dissipation_classes
195             epsclass(i) = 0.1_wp * REAL( i, KIND=wp ) / dissipation_classes
196          ENDDO
197!
198!--       Calculate collision efficiencies of the Wang/ayala kernel
199          ALLOCATE( ec(1:radius_classes,1:radius_classes),  &
200                    ecf(1:radius_classes,1:radius_classes), &
201                    gck(1:radius_classes,1:radius_classes), &
202                    winf(1:radius_classes) )
203
204          DO  k = 1, dissipation_classes
205
206             epsilon = epsclass(k)
207             urms    = 2.02_wp * ( epsilon / 0.04_wp )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
208
209             CALL turbsd
210             CALL turb_enhance_eff
211             CALL effic
212
213             DO  j = 1, radius_classes
214                DO  i = 1, radius_classes
215                   ckernel(i,j,k) = ec(i,j) * gck(i,j) * ecf(i,j)
216                ENDDO
217             ENDDO
218
219          ENDDO
220
221!
222!--       Calculate collision efficiencies of the Hall kernel
223          ALLOCATE( hkernel(1:radius_classes,1:radius_classes), &
224                    hwratio(1:radius_classes,1:radius_classes) )
225
226          CALL fallg
227          CALL effic
228
229          DO  j = 1, radius_classes
230             DO  i =  1, radius_classes
231                hkernel(i,j) = pi * ( radclass(j) + radclass(i) )**2 &
232                                  * ec(i,j) * ABS( winf(j) - winf(i) )
233                ckernel(i,j,0) = hkernel(i,j)  ! hall kernel stored on index 0
234              ENDDO
235          ENDDO
236
237!
238!--       Test output of efficiencies
239          IF ( j == -1 )  THEN
240
241             PRINT*, '*** Hall kernel'
242             WRITE ( *,'(5X,20(F4.0,1X))' ) ( radclass(i)*1.0E6_wp, &
243                                              i = 1,radius_classes )
244             DO  j = 1, radius_classes
245                WRITE ( *,'(F4.0,1X,20(F8.4,1X))' ) radclass(j),  &
246                                          ( hkernel(i,j), i = 1,radius_classes )
247             ENDDO
248
249             DO  k = 1, dissipation_classes
250                DO  i = 1, radius_classes
251                   DO  j = 1, radius_classes
252                      IF ( hkernel(i,j) == 0.0_wp )  THEN
253                         hwratio(i,j) = 9999999.9_wp
254                      ELSE
255                         hwratio(i,j) = ckernel(i,j,k) / hkernel(i,j)
256                      ENDIF
257                   ENDDO
258                ENDDO
259
260                PRINT*, '*** epsilon = ', epsclass(k)
261                WRITE ( *,'(5X,20(F4.0,1X))' ) ( radclass(i) * 1.0E6_wp, &
262                                                 i = 1,radius_classes )
263                DO  j = 1, radius_classes
264                   WRITE ( *,'(F4.0,1X,20(F8.4,1X))' ) radclass(j) * 1.0E6_wp, &
265                                          ( hwratio(i,j), i = 1,radius_classes )
266                ENDDO
267             ENDDO
268
269          ENDIF
270
271          DEALLOCATE( ec, ecf, epsclass, gck, hkernel, winf )
272
273       ELSEIF( collision_kernel == 'hall'  .OR.  collision_kernel == 'wang' ) &
274       THEN
275!
276!--       Initial settings for Hall- and Wang-Kernel
277!--       To be done: move here parts from turbsd, fallg, ecoll, etc.
278       ENDIF
279
280    END SUBROUTINE init_kernels
281
282
283!------------------------------------------------------------------------------!
284! Calculation of collision kernels during each timestep and for each grid box
285!------------------------------------------------------------------------------!
286    SUBROUTINE recalculate_kernel( i1, j1, k1 )
287
288       USE arrays_3d,                                                          &
289           ONLY:  diss
290
291       USE particle_attributes,                                                &
292           ONLY:  prt_count, radius_classes, wang_kernel
293
294       IMPLICIT NONE
295
296       INTEGER(iwp) ::  i      !:
297       INTEGER(iwp) ::  i1     !:
298       INTEGER(iwp) ::  j      !:
299       INTEGER(iwp) ::  j1     !:
300       INTEGER(iwp) ::  k1     !:
301       INTEGER(iwp) ::  pend   !:
302       INTEGER(iwp) ::  pstart !:
303
304
305       pstart = 1
306       pend   = prt_count(k1,j1,i1)
307       radius_classes = prt_count(k1,j1,i1)
308
309       ALLOCATE( ec(1:radius_classes,1:radius_classes), &
310                 radclass(1:radius_classes), winf(1:radius_classes) )
311
312!
313!--    Store particle radii on the radclass array
314       radclass(1:radius_classes) = particles(pstart:pend)%radius
315
316       IF ( wang_kernel )  THEN
317          epsilon = diss(k1,j1,i1)   ! dissipation rate in m**2/s**3
318       ELSE
319          epsilon = 0.0_wp
320       ENDIF
321       urms    = 2.02_wp * ( epsilon / 0.04_wp )**( 0.33333333333_wp )
322
323       IF ( wang_kernel  .AND.  epsilon > 1.0E-7_wp )  THEN
324!
325!--       Call routines to calculate efficiencies for the Wang kernel
326          ALLOCATE( gck(1:radius_classes,1:radius_classes), &
327                    ecf(1:radius_classes,1:radius_classes) )
328
329          CALL turbsd
330          CALL turb_enhance_eff
331          CALL effic
332
333          DO  j = 1, radius_classes
334             DO  i =  1, radius_classes
335                ckernel(pstart+i-1,pstart+j-1,1) = ec(i,j) * gck(i,j) * ecf(i,j)
336             ENDDO
337          ENDDO
338
339          DEALLOCATE( gck, ecf )
340
341       ELSE
342!
343!--       Call routines to calculate efficiencies for the Hall kernel
344          CALL fallg
345          CALL effic
346
347          DO  j = 1, radius_classes
348             DO  i =  1, radius_classes
349                ckernel(pstart+i-1,pstart+j-1,1) = pi *                       &
350                                          ( radclass(j) + radclass(i) )**2    &
351                                          * ec(i,j) * ABS( winf(j) - winf(i) )
352             ENDDO
353          ENDDO
354
355       ENDIF
356
357       DEALLOCATE( ec, radclass, winf )
358
359    END SUBROUTINE recalculate_kernel
360
361
362!------------------------------------------------------------------------------!
363! Calculation of gck
364! This is from Aayala 2008b, page 37ff.
365! Necessary input parameters: water density, radii of droplets, air density,
366! air viscosity, turbulent dissipation rate, taylor microscale reynolds number,
367! gravitational acceleration  --> to be replaced by PALM parameters
368!------------------------------------------------------------------------------!
369    SUBROUTINE turbsd
370
371       USE control_parameters,                                                 &
372           ONLY:  g, molecular_viscosity
373   
374       USE particle_attributes,                                                &
375           ONLY:  radius_classes
376
377       IMPLICIT NONE
378       
379       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !:
380
381       INTEGER(iwp) ::  i     !:
382       INTEGER(iwp) ::  j     !:
383
384       REAL(wp) ::  ao        !:
385       REAL(wp) ::  ao_gr     !:
386       REAL(wp) ::  bbb       !:
387       REAL(wp) ::  be        !:
388       REAL(wp) ::  b1        !:
389       REAL(wp) ::  b2        !:
390       REAL(wp) ::  ccc       !:
391       REAL(wp) ::  c1        !:
392       REAL(wp) ::  c1_gr     !:
393       REAL(wp) ::  c2        !:
394       REAL(wp) ::  d1        !:
395       REAL(wp) ::  d2        !:
396       REAL(wp) ::  eta       !:
397       REAL(wp) ::  e1        !:
398       REAL(wp) ::  e2        !:
399       REAL(wp) ::  fao_gr    !:
400       REAL(wp) ::  fr        !:
401       REAL(wp) ::  grfin     !:
402       REAL(wp) ::  lambda    !:
403       REAL(wp) ::  lambda_re !:
404       REAL(wp) ::  lf        !:
405       REAL(wp) ::  rc        !:
406       REAL(wp) ::  rrp       !:
407       REAL(wp) ::  sst       !:
408       REAL(wp) ::  tauk      !:
409       REAL(wp) ::  tl        !:
410       REAL(wp) ::  t2        !:
411       REAL(wp) ::  tt        !:
412       REAL(wp) ::  t1        !:
413       REAL(wp) ::  vk        !:
414       REAL(wp) ::  vrms1xy   !:
415       REAL(wp) ::  vrms2xy   !:
416       REAL(wp) ::  v1        !:
417       REAL(wp) ::  v1v2xy    !:
418       REAL(wp) ::  v1xysq    !:
419       REAL(wp) ::  v2        !:
420       REAL(wp) ::  v2xysq    !:
421       REAL(wp) ::  wrfin     !:
422       REAL(wp) ::  wrgrav2   !:
423       REAL(wp) ::  wrtur2xy  !:
424       REAL(wp) ::  xx        !:
425       REAL(wp) ::  yy        !:
426       REAL(wp) ::  z         !:
427
428       REAL(wp), DIMENSION(1:radius_classes) ::  st  !:
429       REAL(wp), DIMENSION(1:radius_classes) ::  tau !:
430       
431!
432!--    Initial assignment of constants
433       IF ( first )  THEN
434
435          first = .FALSE.
436
437       ENDIF
438
439       lambda    = urms * SQRT( 15.0_wp * molecular_viscosity / epsilon ) ! in m
440       lambda_re = urms**2 * SQRT( 15.0_wp / epsilon / molecular_viscosity )
441       tl        = urms**2 / epsilon                       ! in s
442       lf        = 0.5_wp * urms**3 / epsilon              ! in m
443       tauk      = SQRT( molecular_viscosity / epsilon )                  ! in s
444       eta       = ( molecular_viscosity**3 / epsilon )**0.25_wp          ! in m
445       vk        = eta / tauk
446
447       ao = ( 11.0_wp + 7.0_wp * lambda_re ) / ( 205.0_wp + lambda_re )
448       tt = SQRT( 2.0_wp * lambda_re / ( SQRT( 15.0_wp ) * ao ) ) * tauk  ! in s
449
450       CALL fallg    ! gives winf in m/s
451
452       DO  i = 1, radius_classes
453          tau(i) = winf(i) / g    ! in s
454          st(i)  = tau(i) / tauk
455       ENDDO
456
457!
458!--    Calculate wr (from Aayala 2008b, page 38f)
459       z   = tt / tl
460       be  = SQRT( 2.0_wp ) * lambda / lf
461       bbb = SQRT( 1.0_wp - 2.0_wp * be**2 )
462       d1  = ( 1.0_wp + bbb ) / ( 2.0_wp * bbb )
463       e1  = lf * ( 1.0_wp + bbb ) * 0.5_wp   ! in m
464       d2  = ( 1.0_wp - bbb ) * 0.5_wp / bbb
465       e2  = lf * ( 1.0_wp - bbb ) * 0.5_wp   ! in m
466       ccc = SQRT( 1.0_wp - 2.0_wp * z**2 )
467       b1  = ( 1.0_wp + ccc ) * 0.5_wp / ccc
468       c1  = tl * ( 1.0_wp + ccc ) * 0.5_wp   ! in s
469       b2  = ( 1.0_wp - ccc ) * 0.5_wp / ccc
470       c2  = tl * ( 1.0_wp - ccc ) * 0.5_wp   ! in s
471
472       DO  i = 1, radius_classes
473
474          v1 = winf(i)        ! in m/s
475          t1 = tau(i)         ! in s
476
477          DO  j = 1, i
478             rrp = radclass(i) + radclass(j)
479             v2  = winf(j)                                 ! in m/s
480             t2  = tau(j)                                  ! in s
481
482             v1xysq  = b1 * d1 * phi_w(c1,e1,v1,t1) - b1 * d2 * phi_w(c1,e2,v1,t1) &
483                     - b2 * d1 * phi_w(c2,e1,v1,t1) + b2 * d2 * phi_w(c2,e2,v1,t1)
484             v1xysq  = v1xysq * urms**2 / t1                ! in m**2/s**2
485             vrms1xy = SQRT( v1xysq )                       ! in m/s
486
487             v2xysq  = b1 * d1 * phi_w(c1,e1,v2,t2) - b1 * d2 * phi_w(c1,e2,v2,t2) &
488                     - b2 * d1 * phi_w(c2,e1,v2,t2) + b2 * d2 * phi_w(c2,e2,v2,t2)
489             v2xysq  = v2xysq * urms**2 / t2                ! in m**2/s**2
490             vrms2xy = SQRT( v2xysq )                       ! in m/s
491
492             IF ( winf(i) >= winf(j) )  THEN
493                v1 = winf(i)
494                t1 = tau(i)
495                v2 = winf(j)
496                t2 = tau(j)
497             ELSE
498                v1 = winf(j)
499                t1 = tau(j)
500                v2 = winf(i)
501                t2 = tau(i)
502             ENDIF
503
504             v1v2xy   =  b1 * d1 * zhi(c1,e1,v1,t1,v2,t2) - &
505                         b1 * d2 * zhi(c1,e2,v1,t1,v2,t2) - &
506                         b2 * d1 * zhi(c2,e1,v1,t1,v2,t2) + &
507                         b2 * d2* zhi(c2,e2,v1,t1,v2,t2)
508             fr       = d1 * EXP( -rrp / e1 ) - d2 * EXP( -rrp / e2 )
509             v1v2xy   = v1v2xy * fr * urms**2 / tau(i) / tau(j)   ! in m**2/s**2
510             wrtur2xy = vrms1xy**2 + vrms2xy**2 - 2.0_wp * v1v2xy ! in m**2/s**2
511             IF ( wrtur2xy < 0.0_wp )  wrtur2xy = 0.0_wp
512             wrgrav2  = pi / 8.0_wp * ( winf(j) - winf(i) )**2
513             wrfin    = SQRT( ( 2.0_wp / pi ) * ( wrtur2xy + wrgrav2) ) ! in m/s
514
515!
516!--          Calculate gr
517             IF ( st(j) > st(i) )  THEN
518                sst = st(j)
519             ELSE
520                sst = st(i)
521             ENDIF
522
523             xx = -0.1988_wp * sst**4 + 1.5275_wp * sst**3 - 4.2942_wp *       &
524                   sst**2 + 5.3406_wp * sst
525             IF ( xx < 0.0_wp )  xx = 0.0_wp
526             yy = 0.1886_wp * EXP( 20.306_wp / lambda_re )
527
528             c1_gr  =  xx / ( g / vk * tauk )**yy
529
530             ao_gr  = ao + ( pi / 8.0_wp) * ( g / vk * tauk )**2
531             fao_gr = 20.115_wp * SQRT( ao_gr / lambda_re )
532             rc     = SQRT( fao_gr * ABS( st(j) - st(i) ) ) * eta   ! in cm
533
534             grfin  = ( ( eta**2 + rc**2 ) / ( rrp**2 + rc**2) )**( c1_gr*0.5_wp )
535             IF ( grfin < 1.0_wp )  grfin = 1.0_wp
536
537             gck(i,j) = 2.0_wp * pi * rrp**2 * wrfin * grfin        ! in cm**3/s
538             gck(j,i) = gck(i,j)
539
540          ENDDO
541       ENDDO
542
543    END SUBROUTINE turbsd
544
545
546!------------------------------------------------------------------------------!
547! phi_w as a function
548!------------------------------------------------------------------------------!
549    REAL(wp) FUNCTION phi_w( a, b, vsett, tau0 )
550
551       IMPLICIT NONE
552
553       REAL(wp) ::  a     !:
554       REAL(wp) ::  aa1   !:
555       REAL(wp) ::  b     !:
556       REAL(wp) ::  tau0  !:
557       REAL(wp) ::  vsett !:
558
559       aa1 = 1.0_wp / tau0 + 1.0_wp / a + vsett / b
560       phi_w = 1.0_wp / aa1  - 0.5_wp * vsett / b / aa1**2  ! in s
561
562    END FUNCTION phi_w
563
564
565!------------------------------------------------------------------------------!
566! zhi as a function
567!------------------------------------------------------------------------------!
568    REAL(wp) FUNCTION zhi( a, b, vsett1, tau1, vsett2, tau2 )
569
570       IMPLICIT NONE
571
572       REAL(wp) ::  a      !:
573       REAL(wp) ::  aa1    !:
574       REAL(wp) ::  aa2    !:
575       REAL(wp) ::  aa3    !:
576       REAL(wp) ::  aa4    !:
577       REAL(wp) ::  aa5    !:
578       REAL(wp) ::  aa6    !:
579       REAL(wp) ::  b      !:
580       REAL(wp) ::  tau1   !:
581       REAL(wp) ::  tau2   !:
582       REAL(wp) ::  vsett1 !:
583       REAL(wp) ::  vsett2 !:
584
585       aa1 = vsett2 / b - 1.0_wp / tau2 - 1.0_wp / a
586       aa2 = vsett1 / b + 1.0_wp / tau1 + 1.0_wp / a
587       aa3 = ( vsett1 - vsett2 ) / b + 1.0_wp / tau1 + 1.0_wp / tau2
588       aa4 = ( vsett2 / b )**2 - ( 1.0_wp / tau2 + 1.0_wp / a )**2
589       aa5 = vsett2 / b + 1.0_wp / tau2 + 1.0_wp / a
590       aa6 = 1.0_wp / tau1 - 1.0_wp / a + ( 1.0_wp / tau2 + 1.0_wp / a) *      &
591             vsett1 / vsett2
592       zhi = (1.0_wp / aa1 - 1.0_wp / aa2 ) * ( vsett1 - vsett2 ) * 0.5_wp /   &
593             b / aa3**2 + ( 4.0_wp / aa4 - 1.0_wp / aa5**2 - 1.0_wp / aa1**2 ) &
594             * vsett2 * 0.5_wp / b /aa6 + ( 2.0_wp * ( b / aa2 - b / aa1 ) -   &
595             vsett1 / aa2**2 + vsett2 / aa1**2 ) * 0.5_wp / b / aa3    ! in s**2
596
597    END FUNCTION zhi
598
599
600!------------------------------------------------------------------------------!
601! Calculation of terminal velocity winf following Equations 10-138 to 10-145
602! from (Pruppacher and Klett, 1997)
603!------------------------------------------------------------------------------!
604    SUBROUTINE fallg
605 
606       USE cloud_parameters,                                                   &
607           ONLY:  rho_l
608   
609       USE control_parameters,                                                 &
610           ONLY:  g
611
612       USE particle_attributes,                                                &
613           ONLY:  radius_classes
614
615
616       IMPLICIT NONE
617
618       INTEGER(iwp) ::  i !:
619       INTEGER(iwp) ::  j !:
620
621       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !:
622
623       REAL(wp), SAVE ::  cunh  !:
624       REAL(wp), SAVE ::  eta   !:
625       REAL(wp), SAVE ::  phy   !:
626       REAL(wp), SAVE ::  py    !:
627       REAL(wp), SAVE ::  rho_a !:
628       REAL(wp), SAVE ::  sigma !:
629       REAL(wp), SAVE ::  stb   !:
630       REAL(wp), SAVE ::  stok  !:
631       REAL(wp), SAVE ::  xlamb !:
632
633       REAL(wp) ::  bond        !:
634       REAL(wp) ::  x           !:
635       REAL(wp) ::  xrey        !:
636       REAL(wp) ::  y           !:
637
638       REAL(wp), DIMENSION(1:7), SAVE  ::  b !:
639       REAL(wp), DIMENSION(1:6), SAVE  ::  c !:
640
641!
642!--    Initial assignment of constants
643       IF ( first )  THEN
644
645          first = .FALSE.
646          b = (/  -0.318657E1_wp,   0.992696E0_wp,  -0.153193E-2_wp, &
647                  -0.987059E-3_wp, -0.578878E-3_wp,  0.855176E-4_wp, &
648                  -0.327815E-5_wp /)
649          c = (/  -0.500015E1_wp,   0.523778E1_wp,  -0.204914E1_wp,   &
650                   0.475294E0_wp,  -0.542819E-1_wp,  0.238449E-2_wp /)
651
652!
653!--       Parameter values for p = 1013,25 hPa and T = 293,15 K
654          eta   = 1.818E-5_wp         ! in kg/(m s)
655          xlamb = 6.6E-8_wp           ! in m
656          rho_a = 1.204_wp            ! in kg/m**3
657          cunh  = 1.26_wp * xlamb     ! in m
658          sigma = 0.07363_wp          ! in kg/s**2
659          stok  = 2.0_wp  * g * ( rho_l - rho_a ) / ( 9.0_wp * eta ) ! in 1/(m s)
660          stb   = 32.0_wp * rho_a * ( rho_l - rho_a) * g / (3.0_wp * eta * eta)
661          phy   = sigma**3 * rho_a**2 / ( eta**4 * g * ( rho_l - rho_a ) )
662          py    = phy**( 1.0_wp / 6.0_wp )
663
664       ENDIF
665
666       DO  j = 1, radius_classes
667
668          IF ( radclass(j) <= 1.0E-5_wp )  THEN
669
670             winf(j) = stok * ( radclass(j)**2 + cunh * radclass(j) )
671
672          ELSEIF ( radclass(j) > 1.0E-5_wp  .AND.  radclass(j) <= 5.35E-4_wp )  THEN
673
674             x = LOG( stb * radclass(j)**3 )
675             y = 0.0_wp
676
677             DO  i = 1, 7
678                y = y + b(i) * x**(i-1)
679             ENDDO
680!
681!--          Note: this Eq. is wrong in (Pruppacher and Klett, 1997, p. 418)
682!--          for correct version see (Beard, 1976)
683             xrey = ( 1.0_wp + cunh / radclass(j) ) * EXP( y )
684
685             winf(j) = xrey * eta / ( 2.0_wp * rho_a * radclass(j) )
686
687          ELSEIF ( radclass(j) > 5.35E-4_wp )  THEN
688
689             IF ( radclass(j) > 0.0035_wp )  THEN
690                bond = g * ( rho_l - rho_a ) * 0.0035_wp**2 / sigma
691             ELSE
692               bond = g * ( rho_l - rho_a ) * radclass(j)**2 / sigma
693             ENDIF
694
695             x = LOG( 16.0_wp * bond * py / 3.0_wp )
696             y = 0.0_wp
697
698             DO  i = 1, 6
699                y = y + c(i) * x**(i-1)
700             ENDDO
701
702             xrey = py * EXP( y )
703
704             IF ( radclass(j) > 0.0035_wp )  THEN
705                winf(j) = xrey * eta / ( 2.0_wp * rho_a * 0.0035_wp )
706             ELSE
707                winf(j) = xrey * eta / ( 2.0_wp * rho_a * radclass(j) )
708             ENDIF
709
710          ENDIF
711
712       ENDDO
713
714    END SUBROUTINE fallg
715
716
717!------------------------------------------------------------------------------!
718! Calculation of collision efficiencies for the Hall kernel
719!------------------------------------------------------------------------------!
720    SUBROUTINE effic
721 
722       USE particle_attributes,                                                &
723           ONLY:  radius_classes
724
725       IMPLICIT NONE
726
727       INTEGER(iwp) ::  i  !:
728       INTEGER(iwp) ::  iq !:
729       INTEGER(iwp) ::  ir !:
730       INTEGER(iwp) ::  j  !:
731       INTEGER(iwp) ::  k  !:
732
733       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ira !:
734
735       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !:
736
737       REAL(wp) ::  ek              !:
738       REAL(wp) ::  particle_radius !:
739       REAL(wp) ::  pp              !:
740       REAL(wp) ::  qq              !:
741       REAL(wp) ::  rq              !:
742
743       REAL(wp), DIMENSION(1:21), SAVE ::  rat        !:
744       
745       REAL(wp), DIMENSION(1:15), SAVE ::  r0         !:
746       
747       REAL(wp), DIMENSION(1:15,1:21), SAVE ::  ecoll !:
748
749!
750!--    Initial assignment of constants
751       IF ( first )  THEN
752
753         first = .FALSE.
754         r0  = (/   6.0_wp,   8.0_wp,  10.0_wp, 15.0_wp,  20.0_wp,  25.0_wp,  &
755                   30.0_wp,  40.0_wp,  50.0_wp, 60.0_wp,  70.0_wp, 100.0_wp,  &
756                  150.0_wp, 200.0_wp, 300.0_wp /)
757
758         rat = (/ 0.00_wp, 0.05_wp, 0.10_wp, 0.15_wp, 0.20_wp, 0.25_wp,       &
759                  0.30_wp, 0.35_wp, 0.40_wp, 0.45_wp, 0.50_wp, 0.55_wp,       &
760                  0.60_wp, 0.65_wp, 0.70_wp, 0.75_wp, 0.80_wp, 0.85_wp,       &
761                  0.90_wp, 0.95_wp, 1.00_wp /)
762
763         ecoll(:,1)  = (/ 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, &
764                          0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, &
765                          0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp /)
766         ecoll(:,2)  = (/ 0.003_wp, 0.003_wp, 0.003_wp, 0.004_wp, 0.005_wp, &
767                          0.005_wp, 0.005_wp, 0.010_wp, 0.100_wp, 0.050_wp, &
768                          0.200_wp, 0.500_wp, 0.770_wp, 0.870_wp, 0.970_wp /)
769         ecoll(:,3)  = (/ 0.007_wp, 0.007_wp, 0.007_wp, 0.008_wp, 0.009_wp, &
770                          0.010_wp, 0.010_wp, 0.070_wp, 0.400_wp, 0.430_wp, &
771                          0.580_wp, 0.790_wp, 0.930_wp, 0.960_wp, 1.000_wp /)
772         ecoll(:,4)  = (/ 0.009_wp, 0.009_wp, 0.009_wp, 0.012_wp, 0.015_wp, &
773                          0.010_wp, 0.020_wp, 0.280_wp, 0.600_wp, 0.640_wp, &
774                          0.750_wp, 0.910_wp, 0.970_wp, 0.980_wp, 1.000_wp /)
775         ecoll(:,5)  = (/ 0.014_wp, 0.014_wp, 0.014_wp, 0.015_wp, 0.016_wp, &
776                          0.030_wp, 0.060_wp, 0.500_wp, 0.700_wp, 0.770_wp, &
777                          0.840_wp, 0.950_wp, 0.970_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
778         ecoll(:,6)  = (/ 0.017_wp, 0.017_wp, 0.017_wp, 0.020_wp, 0.022_wp, &
779                          0.060_wp, 0.100_wp, 0.620_wp, 0.780_wp, 0.840_wp, &
780                          0.880_wp, 0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
781         ecoll(:,7)  = (/ 0.030_wp, 0.030_wp, 0.024_wp, 0.022_wp, 0.032_wp, &
782                          0.062_wp, 0.200_wp, 0.680_wp, 0.830_wp, 0.870_wp, &
783                          0.900_wp, 0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
784         ecoll(:,8)  = (/ 0.025_wp, 0.025_wp, 0.025_wp, 0.036_wp, 0.043_wp, &
785                          0.130_wp, 0.270_wp, 0.740_wp, 0.860_wp, 0.890_wp, &
786                          0.920_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
787         ecoll(:,9)  = (/ 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, 0.040_wp, 0.052_wp, &
788                          0.200_wp, 0.400_wp, 0.780_wp, 0.880_wp, 0.900_wp, &
789                          0.940_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
790         ecoll(:,10) = (/ 0.030_wp, 0.030_wp, 0.030_wp, 0.047_wp, 0.064_wp, &
791                          0.250_wp, 0.500_wp, 0.800_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
792                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
793         ecoll(:,11) = (/ 0.040_wp, 0.040_wp, 0.033_wp, 0.037_wp, 0.068_wp, &
794                          0.240_wp, 0.550_wp, 0.800_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
795                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
796         ecoll(:,12) = (/ 0.035_wp, 0.035_wp, 0.035_wp, 0.055_wp, 0.079_wp, &
797                          0.290_wp, 0.580_wp, 0.800_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
798                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
799         ecoll(:,13) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.062_wp, 0.082_wp, &
800                          0.290_wp, 0.590_wp, 0.780_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
801                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
802         ecoll(:,14) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.060_wp, 0.080_wp, &
803                          0.290_wp, 0.580_wp, 0.770_wp, 0.890_wp, 0.910_wp, &
804                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
805         ecoll(:,15) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.041_wp, 0.075_wp, &
806                          0.250_wp, 0.540_wp, 0.760_wp, 0.880_wp, 0.920_wp, &
807                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
808         ecoll(:,16) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.052_wp, 0.067_wp, &
809                          0.250_wp, 0.510_wp, 0.770_wp, 0.880_wp, 0.930_wp, &
810                          0.970_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
811         ecoll(:,17) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.047_wp, 0.057_wp, &
812                          0.250_wp, 0.490_wp, 0.770_wp, 0.890_wp, 0.950_wp, &
813                          1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
814         ecoll(:,18) = (/ 0.036_wp, 0.036_wp, 0.036_wp, 0.042_wp, 0.048_wp, &
815                          0.230_wp, 0.470_wp, 0.780_wp, 0.920_wp, 1.000_wp, &
816                          1.020_wp, 1.020_wp, 1.020_wp, 1.020_wp, 1.020_wp /)
817         ecoll(:,19) = (/ 0.040_wp, 0.040_wp, 0.035_wp, 0.033_wp, 0.040_wp, &
818                          0.112_wp, 0.450_wp, 0.790_wp, 1.010_wp, 1.030_wp, &
819                          1.040_wp, 1.040_wp, 1.040_wp, 1.040_wp, 1.040_wp /)
820         ecoll(:,20) = (/ 0.033_wp, 0.033_wp, 0.033_wp, 0.033_wp, 0.033_wp, &
821                          0.119_wp, 0.470_wp, 0.950_wp, 1.300_wp, 1.700_wp, &
822                          2.300_wp, 2.300_wp, 2.300_wp, 2.300_wp, 2.300_wp /)
823         ecoll(:,21) = (/ 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, &
824                          0.125_wp, 0.520_wp, 1.400_wp, 2.300_wp, 3.000_wp, &
825                          4.000_wp, 4.000_wp, 4.000_wp, 4.000_wp, 4.000_wp /)
826       ENDIF
827
828!
829!--    Calculate the radius class index of particles with respect to array r
830!--    Radius has to be in µm
831       ALLOCATE( ira(1:radius_classes) )
832       DO  j = 1, radius_classes
833          particle_radius = radclass(j) * 1.0E6_wp
834          DO  k = 1, 15
835             IF ( particle_radius < r0(k) )  THEN
836                ira(j) = k
837                EXIT
838             ENDIF
839          ENDDO
840          IF ( particle_radius >= r0(15) )  ira(j) = 16
841       ENDDO
842
843!
844!--    Two-dimensional linear interpolation of the collision efficiency.
845!--    Radius has to be in µm
846       DO  j = 1, radius_classes
847          DO  i = 1, j
848
849             ir = ira(j)
850             rq = MIN( radclass(i) / radclass(j), radclass(j) / radclass(i) )
851             iq = INT( rq * 20 ) + 1
852             iq = MAX( iq , 2)
853
854             IF ( ir < 16 )  THEN
855                IF ( ir >= 2 )  THEN
856                   pp = ( ( radclass(j) * 1.0E06_wp ) - r0(ir-1) ) / &
857                        ( r0(ir) - r0(ir-1) )
858                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
859                   ec(j,i) = ( 1.0_wp - pp ) * ( 1.0_wp - qq )                 &
860                             * ecoll(ir-1,iq-1)                                &
861                             + pp * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll(ir,iq-1)           &
862                             + qq * ( 1.0_wp - pp ) * ecoll(ir-1,iq)           &
863                             + pp * qq * ecoll(ir,iq)
864                ELSE
865                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
866                   ec(j,i) = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll(1,iq-1) + qq * ecoll(1,iq)
867                ENDIF
868             ELSE
869                qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
870                ek = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll(15,iq-1) + qq * ecoll(15,iq)
871                ec(j,i) = MIN( ek, 1.0_wp )
872             ENDIF
873
874             IF ( ec(j,i) < 1.0E-20_wp )  ec(j,i) = 0.0_wp
875
876             ec(i,j) = ec(j,i)
877
878          ENDDO
879       ENDDO
880
881       DEALLOCATE( ira )
882
883    END SUBROUTINE effic
884
885
886!------------------------------------------------------------------------------!
887! Calculation of enhancement factor for collision efficencies due to turbulence
888!------------------------------------------------------------------------------!
889    SUBROUTINE turb_enhance_eff
890
891       USE particle_attributes,                                                &
892           ONLY:  radius_classes
893
894       IMPLICIT NONE
895
896       INTEGER(iwp) :: i  !:
897       INTEGER(iwp) :: iq !:
898       INTEGER(iwp) :: ir !:
899       INTEGER(iwp) :: j  !:
900       INTEGER(iwp) :: k  !:
901       INTEGER(iwp) :: kk !:
902
903       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ira !:
904       
905       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !:
906
907       REAL(wp) ::  particle_radius !:
908       REAL(wp) ::  pp              !:
909       REAL(wp) ::  qq              !:
910       REAL(wp) ::  rq              !:
911       REAL(wp) ::  y1              !:
912       REAL(wp) ::  y2              !:
913       REAL(wp) ::  y3              !:
914
915       REAL(wp), DIMENSION(1:11), SAVE ::  rat           !:
916       
917       REAL(wp), DIMENSION(1:7), SAVE  ::  r0            !:
918       
919       REAL(wp), DIMENSION(1:7,1:11), SAVE ::  ecoll_100 !:
920       REAL(wp), DIMENSION(1:7,1:11), SAVE ::  ecoll_400 !:
921
922!
923!--    Initial assignment of constants
924       IF ( first )  THEN
925
926          first = .FALSE.
927
928          r0  = (/  10.0_wp, 20.0_wp, 30.0_wp, 40.0_wp, 50.0_wp, 60.0_wp,  &
929                   100.0_wp /)
930
931          rat = (/ 0.0_wp, 0.1_wp, 0.2_wp, 0.3_wp, 0.4_wp, 0.5_wp, 0.6_wp, &
932                   0.7_wp, 0.8_wp, 0.9_wp, 1.0_wp /)
933!
934!--       for 100 cm**2/s**3
935          ecoll_100(:,1)  = (/  1.74_wp,   1.74_wp,   1.773_wp, 1.49_wp,  &
936                                1.207_wp,  1.207_wp,  1.0_wp /)
937          ecoll_100(:,2)  = (/  1.46_wp,   1.46_wp,   1.421_wp, 1.245_wp, &
938                                1.069_wp,  1.069_wp,  1.0_wp /)
939          ecoll_100(:,3)  = (/  1.32_wp,   1.32_wp,   1.245_wp, 1.123_wp, &
940                                1.000_wp,  1.000_wp,  1.0_wp /)
941          ecoll_100(:,4)  = (/  1.250_wp,  1.250_wp,  1.148_wp, 1.087_wp, &
942                                1.025_wp,  1.025_wp,  1.0_wp /)
943          ecoll_100(:,5)  = (/  1.186_wp,  1.186_wp,  1.066_wp, 1.060_wp, &
944                                1.056_wp,  1.056_wp,  1.0_wp /)
945          ecoll_100(:,6)  = (/  1.045_wp,  1.045_wp,  1.000_wp, 1.014_wp, &
946                                1.028_wp,  1.028_wp,  1.0_wp /)
947          ecoll_100(:,7)  = (/  1.070_wp,  1.070_wp,  1.030_wp, 1.038_wp, &
948                                1.046_wp,  1.046_wp,  1.0_wp /)
949          ecoll_100(:,8)  = (/  1.000_wp,  1.000_wp,  1.054_wp, 1.042_wp, &
950                                1.029_wp,  1.029_wp,  1.0_wp /)
951          ecoll_100(:,9)  = (/  1.223_wp,  1.223_wp,  1.117_wp, 1.069_wp, &
952                                1.021_wp,  1.021_wp,  1.0_wp /)
953          ecoll_100(:,10) = (/  1.570_wp,  1.570_wp,  1.244_wp, 1.166_wp, &
954                                1.088_wp,  1.088_wp,  1.0_wp /)
955          ecoll_100(:,11) = (/ 20.3_wp,   20.3_wp,   14.6_wp,  8.61_wp,  &
956                                2.60_wp,   2.60_wp,   1.0_wp /)
957!
958!--       for 400 cm**2/s**3
959          ecoll_400(:,1)  = (/  4.976_wp,  4.976_wp,  3.593_wp,  2.519_wp, &
960                                1.445_wp,  1.445_wp,  1.0_wp /)
961          ecoll_400(:,2)  = (/  2.984_wp,  2.984_wp,  2.181_wp,  1.691_wp, &
962                                1.201_wp,  1.201_wp,  1.0_wp /)
963          ecoll_400(:,3)  = (/  1.988_wp,  1.988_wp,  1.475_wp,  1.313_wp, &
964                                1.150_wp,  1.150_wp,  1.0_wp /)
965          ecoll_400(:,4)  = (/  1.490_wp,  1.490_wp,  1.187_wp,  1.156_wp, &
966                                1.126_wp,  1.126_wp,  1.0_wp /)
967          ecoll_400(:,5)  = (/  1.249_wp,  1.249_wp,  1.088_wp,  1.090_wp, &
968                                1.092_wp,  1.092_wp,  1.0_wp /)
969          ecoll_400(:,6)  = (/  1.139_wp,  1.139_wp,  1.130_wp,  1.091_wp, &
970                                1.051_wp,  1.051_wp,  1.0_wp /)
971          ecoll_400(:,7)  = (/  1.220_wp,  1.220_wp,  1.190_wp,  1.138_wp, &
972                                1.086_wp,  1.086_wp,  1.0_wp /)
973          ecoll_400(:,8)  = (/  1.325_wp,  1.325_wp,  1.267_wp,  1.165_wp, &
974                                1.063_wp,  1.063_wp,  1.0_wp /)
975          ecoll_400(:,9)  = (/  1.716_wp,  1.716_wp,  1.345_wp,  1.223_wp, &
976                                1.100_wp,  1.100_wp,  1.0_wp /)
977          ecoll_400(:,10) = (/  3.788_wp,  3.788_wp,  1.501_wp,  1.311_wp, &
978                                1.120_wp,  1.120_wp,  1.0_wp /)
979          ecoll_400(:,11) = (/ 36.52_wp,  36.52_wp,  19.16_wp,  22.80_wp,  &
980                               26.0_wp,   26.0_wp,    1.0_wp /)
981
982       ENDIF
983
984!
985!--    Calculate the radius class index of particles with respect to array r0
986!--    Radius has to be in µm
987       ALLOCATE( ira(1:radius_classes) )
988
989       DO  j = 1, radius_classes
990          particle_radius = radclass(j) * 1.0E6_wp
991          DO  k = 1, 7
992             IF ( particle_radius < r0(k) )  THEN
993                ira(j) = k
994                EXIT
995             ENDIF
996          ENDDO
997          IF ( particle_radius >= r0(7) )  ira(j) = 8
998       ENDDO
999
1000!
1001!--    Two-dimensional linear interpolation of the collision efficiencies
1002!--    Radius has to be in µm
1003       DO  j =  1, radius_classes
1004          DO  i = 1, j
1005
1006             ir = ira(j)
1007             rq = MIN( radclass(i) / radclass(j), radclass(j) / radclass(i) )
1008
1009             DO  kk = 2, 11
1010                IF ( rq <= rat(kk) )  THEN
1011                   iq = kk
1012                   EXIT
1013                ENDIF
1014             ENDDO
1015
1016             y1 = 0.0001_wp      ! for 0 m**2/s**3
1017
1018             IF ( ir < 8 )  THEN
1019                IF ( ir >= 2 )  THEN
1020                   pp = ( radclass(j)*1.0E6_wp - r0(ir-1) ) / ( r0(ir) - r0(ir-1) )
1021                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
1022                   y2 = ( 1.0_wp - pp ) * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(ir-1,iq-1) + &
1023                                pp * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(ir,iq-1)        + &
1024                                qq * ( 1.0_wp - pp ) * ecoll_100(ir-1,iq)        + &
1025                                pp * qq              * ecoll_100(ir,iq)
1026                   y3 = ( 1.0-pp ) * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(ir-1,iq-1)      + &
1027                                pp * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(ir,iq-1)        + &
1028                                qq * ( 1.0_wp - pp ) * ecoll_400(ir-1,iq)        + &
1029                                pp * qq              * ecoll_400(ir,iq)
1030                ELSE
1031                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
1032                   y2 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(1,iq-1) + qq * ecoll_100(1,iq)
1033                   y3 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(1,iq-1) + qq * ecoll_400(1,iq)
1034                ENDIF
1035             ELSE
1036                qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
1037                y2 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(7,iq-1) + qq * ecoll_100(7,iq)
1038                y3 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(7,iq-1) + qq * ecoll_400(7,iq)
1039             ENDIF
1040!
1041!--          Linear interpolation of dissipation rate in m**2/s**3
1042             IF ( epsilon <= 0.01_wp )  THEN
1043                ecf(j,i) = ( epsilon - 0.01_wp ) / ( 0.0_wp  - 0.01_wp ) * y1 &
1044                         + ( epsilon - 0.0_wp  ) / ( 0.01_wp - 0.0_wp  ) * y2
1045             ELSEIF ( epsilon <= 0.06_wp )  THEN
1046                ecf(j,i) = ( epsilon - 0.04_wp ) / ( 0.01_wp - 0.04_wp ) * y2 &
1047                         + ( epsilon - 0.01_wp ) / ( 0.04_wp - 0.01_wp ) * y3
1048             ELSE
1049                ecf(j,i) = ( 0.06_wp - 0.04_wp ) / ( 0.01_wp - 0.04_wp ) * y2 &
1050                         + ( 0.06_wp - 0.01_wp ) / ( 0.04_wp - 0.01_wp ) * y3
1051             ENDIF
1052
1053             IF ( ecf(j,i) < 1.0_wp )  ecf(j,i) = 1.0_wp
1054
1055             ecf(i,j) = ecf(j,i)
1056
1057          ENDDO
1058       ENDDO
1059
1060    END SUBROUTINE turb_enhance_eff
1061
1062
1063
1064    SUBROUTINE collision_efficiency_rogers( mean_r, r, e)
1065!------------------------------------------------------------------------------!
1066! Collision efficiencies from table 8.2 in Rogers and Yau (1989, 3rd edition).
1067! Values are calculated from table by bilinear interpolation.
1068!------------------------------------------------------------------------------!
1069
1070       IMPLICIT NONE
1071
1072       INTEGER(iwp)  ::  i !:
1073       INTEGER(iwp)  ::  j !:
1074       INTEGER(iwp)  ::  k !:
1075
1076       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !:
1077
1078       REAL(wp)      ::  aa      !:
1079       REAL(wp)      ::  bb      !:
1080       REAL(wp)      ::  cc      !:
1081       REAL(wp)      ::  dd      !:
1082       REAL(wp)      ::  dx      !:
1083       REAL(wp)      ::  dy      !:
1084       REAL(wp)      ::  e       !:
1085       REAL(wp)      ::  gg      !:
1086       REAL(wp)      ::  mean_r  !:
1087       REAL(wp)      ::  mean_rm !:
1088       REAL(wp)      ::  r       !:
1089       REAL(wp)      ::  rm      !:
1090       REAL(wp)      ::  x       !:
1091       REAL(wp)      ::  y       !:
1092 
1093       REAL(wp), DIMENSION(1:9), SAVE      ::  collected_r = 0.0_wp !:
1094       
1095       REAL(wp), DIMENSION(1:19), SAVE     ::  collector_r = 0.0_wp !:
1096       
1097       REAL(wp), DIMENSION(1:9,1:19), SAVE ::  ef = 0.0_wp          !:
1098
1099       mean_rm = mean_r * 1.0E06_wp
1100       rm      = r      * 1.0E06_wp
1101
1102       IF ( first )  THEN
1103
1104          collected_r = (/    2.0_wp,    3.0_wp,    4.0_wp,    6.0_wp,    8.0_wp, &
1105                             10.0_wp,   15.0_wp,   20.0_wp,   25.0_wp /)
1106          collector_r = (/   10.0_wp,   20.0_wp,   30.0_wp,   40.0_wp,   50.0_wp, &
1107                             60.0_wp,   80.0_wp,  100.0_wp,  150.0_wp,  200.0_wp, &
1108                            300.0_wp,  400.0_wp,  500.0_wp,  600.0_wp, 1000.0_wp, &
1109                           1400.0_wp, 1800.0_wp, 2400.0_wp, 3000.0_wp /)
1110
1111          ef(:,1)  = (/ 0.017_wp, 0.027_wp, 0.037_wp, 0.052_wp, 0.052_wp,      &
1112                        0.052_wp, 0.052_wp, 0.0_wp,   0.0_wp /)
1113          ef(:,2)  = (/ 0.001_wp, 0.016_wp, 0.027_wp, 0.060_wp, 0.12_wp,       &
1114                        0.17_wp,  0.17_wp,  0.17_wp,  0.0_wp /)
1115          ef(:,3)  = (/ 0.001_wp, 0.001_wp, 0.02_wp,  0.13_wp,  0.28_wp,       &
1116                        0.37_wp,  0.54_wp,  0.55_wp,  0.47_wp/)
1117          ef(:,4)  = (/ 0.001_wp, 0.001_wp, 0.02_wp,  0.23_wp,  0.4_wp,        &
1118                        0.55_wp,  0.7_wp,   0.75_wp,  0.75_wp/)
1119          ef(:,5)  = (/ 0.01_wp,  0.01_wp,  0.03_wp,  0.3_wp,   0.4_wp,        &
1120                        0.58_wp,  0.73_wp,  0.75_wp,  0.79_wp/)
1121          ef(:,6)  = (/ 0.01_wp,  0.01_wp,  0.13_wp,  0.38_wp,  0.57_wp,       &
1122                        0.68_wp,  0.80_wp,  0.86_wp,  0.91_wp/)
1123          ef(:,7)  = (/ 0.01_wp,  0.085_wp, 0.23_wp,  0.52_wp,  0.68_wp,       &
1124                        0.76_wp,  0.86_wp,  0.92_wp,  0.95_wp/)
1125          ef(:,8)  = (/ 0.01_wp,  0.14_wp,  0.32_wp,  0.60_wp,  0.73_wp,       &
1126                        0.81_wp,  0.90_wp,  0.94_wp,  0.96_wp/)
1127          ef(:,9)  = (/ 0.025_wp, 0.25_wp,  0.43_wp,  0.66_wp,  0.78_wp,       &
1128                        0.83_wp,  0.92_wp,  0.95_wp,  0.96_wp/)
1129          ef(:,10) = (/ 0.039_wp, 0.3_wp,   0.46_wp,  0.69_wp,  0.81_wp,       &
1130                        0.87_wp,  0.93_wp,  0.95_wp,  0.96_wp/)
1131          ef(:,11) = (/ 0.095_wp, 0.33_wp,  0.51_wp,  0.72_wp,  0.82_wp,       &
1132                        0.87_wp,  0.93_wp,  0.96_wp,  0.97_wp/)
1133          ef(:,12) = (/ 0.098_wp, 0.36_wp,  0.51_wp,  0.73_wp,  0.83_wp,       &
1134                        0.88_wp,  0.93_wp,  0.96_wp,  0.97_wp/)
1135          ef(:,13) = (/ 0.1_wp,   0.36_wp,  0.52_wp,  0.74_wp,  0.83_wp,       &
1136                        0.88_wp,  0.93_wp,  0.96_wp,  0.97_wp/)
1137          ef(:,14) = (/ 0.17_wp,  0.4_wp,   0.54_wp,  0.72_wp,  0.83_wp,       &
1138                        0.88_wp,  0.94_wp,  0.98_wp,  1.0_wp /)
1139          ef(:,15) = (/ 0.15_wp,  0.37_wp,  0.52_wp,  0.74_wp,  0.82_wp,       &
1140                        0.88_wp,  0.94_wp,  0.98_wp,  1.0_wp /)
1141          ef(:,16) = (/ 0.11_wp,  0.34_wp,  0.49_wp,  0.71_wp,  0.83_wp,       &
1142                        0.88_wp,  0.94_wp,  0.95_wp,  1.0_wp /)
1143          ef(:,17) = (/ 0.08_wp,  0.29_wp,  0.45_wp,  0.68_wp,  0.8_wp,        &
1144                        0.86_wp,  0.96_wp,  0.94_wp,  1.0_wp /)
1145          ef(:,18) = (/ 0.04_wp,  0.22_wp,  0.39_wp,  0.62_wp,  0.75_wp,       &
1146                        0.83_wp,  0.92_wp,  0.96_wp,  1.0_wp /)
1147          ef(:,19) = (/ 0.02_wp,  0.16_wp,  0.33_wp,  0.55_wp,  0.71_wp,       &
1148                        0.81_wp,  0.90_wp,  0.94_wp,  1.0_wp /)
1149
1150       ENDIF
1151
1152       DO  k = 1, 8
1153          IF ( collected_r(k) <= mean_rm )  i = k
1154       ENDDO
1155
1156       DO  k = 1, 18
1157          IF ( collector_r(k) <= rm )  j = k
1158       ENDDO
1159
1160       IF ( rm < 10.0_wp )  THEN
1161          e = 0.0_wp
1162       ELSEIF ( mean_rm < 2.0_wp )  THEN
1163          e = 0.001_wp
1164       ELSEIF ( mean_rm >= 25.0_wp )  THEN
1165          IF( j <= 2 )  e = 0.0_wp
1166          IF( j == 3 )  e = 0.47_wp
1167          IF( j == 4 )  e = 0.8_wp
1168          IF( j == 5 )  e = 0.9_wp
1169          IF( j >=6  )  e = 1.0_wp
1170       ELSEIF ( rm >= 3000.0_wp )  THEN
1171          IF( i == 1 )  e = 0.02_wp
1172          IF( i == 2 )  e = 0.16_wp
1173          IF( i == 3 )  e = 0.33_wp
1174          IF( i == 4 )  e = 0.55_wp
1175          IF( i == 5 )  e = 0.71_wp
1176          IF( i == 6 )  e = 0.81_wp
1177          IF( i == 7 )  e = 0.90_wp
1178          IF( i >= 8 )  e = 0.94_wp
1179       ELSE
1180          x  = mean_rm - collected_r(i)
1181          y  = rm - collector_r(j)
1182          dx = collected_r(i+1) - collected_r(i)
1183          dy = collector_r(j+1) - collector_r(j)
1184          aa = x**2 + y**2
1185          bb = ( dx - x )**2 + y**2
1186          cc = x**2 + ( dy - y )**2
1187          dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
1188          gg = aa + bb + cc + dd
1189
1190          e = ( (gg-aa)*ef(i,j) + (gg-bb)*ef(i+1,j) + (gg-cc)*ef(i,j+1) + &
1191                (gg-dd)*ef(i+1,j+1) ) / (3.0_wp * gg)
1192       ENDIF
1193
1194    END SUBROUTINE collision_efficiency_rogers
1195
1196 END MODULE lpm_collision_kernels_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.