source: palm/trunk/SOURCE/lpm_collision_kernels.f90 @ 1682

Last change on this file since 1682 was 1682, checked in by knoop, 9 years ago

Code annotations made doxygen readable

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 46.7 KB
Line 
1!> @file lpm_collision_kernels.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms
6! of the GNU General Public License as published by the Free Software Foundation,
7! either version 3 of the License, or (at your option) any later version.
8!
9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY
10! WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR
11! A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with
14! PALM. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 1997-2014 Leibniz Universitaet Hannover
17!--------------------------------------------------------------------------------!
18!
19! Current revisions:
20! -----------------
21! Code annotations made doxygen readable
22!
23! Former revisions:
24! -----------------
25! $Id: lpm_collision_kernels.f90 1682 2015-10-07 23:56:08Z knoop $
26!
27! 1519 2015-01-08 10:20:42Z hoffmann
28! Bugfix: Using the new particle structure, particles are not sorted by size.
29! Hence, computation of collision efficiencies must ensure that the ratio of
30! two colliding droplets is < 1.
31!
32! 1359 2014-04-11 17:15:14Z hoffmann
33! New particle structure integrated.
34! Kind definition added to all floating point numbers.
35!
36! 1346 2014-03-27 13:18:20Z heinze
37! Bugfix: REAL constants provided with KIND-attribute especially in call of
38! intrinsic function like MAX, MIN, SIGN
39!
40! 1322 2014-03-20 16:38:49Z raasch
41! REAL constants defined as wp_kind
42!
43! 1320 2014-03-20 08:40:49Z
44! ONLY-attribute added to USE-statements,
45! kind-parameters added to all INTEGER and REAL declaration statements,
46! kinds are defined in new module kinds,
47! revision history before 2012 removed,
48! comment fields (!:) to be used for variable explanations added to
49! all variable declaration statements
50!
51! 1092 2013-02-02 11:24:22Z raasch
52! unused variables removed
53!
54! 1071 2012-11-29 16:54:55Z franke
55! Bugfix: collision efficiencies for Hall kernel should not be < 1.0E-20
56!
57! 1036 2012-10-22 13:43:42Z raasch
58! code put under GPL (PALM 3.9)
59!
60! 1007 2012-09-19 14:30:36Z franke
61! converted all units to SI units and replaced some parameters by corresponding
62! PALM parameters
63! Bugfix: factor in calculation of enhancement factor for collision efficencies
64! changed from 10. to 1.0
65!
66! 849 2012-03-15 10:35:09Z raasch
67! routine collision_efficiency_rogers added (moved from former advec_particles
68! to here)
69!
70! 835 2012-02-22 11:21:19Z raasch $
71! Bugfix: array diss can be used only in case of Wang kernel
72!
73! 828 2012-02-21 12:00:36Z raasch
74! code has been completely reformatted, routine colker renamed
75! recalculate_kernel,
76! routine init_kernels added, radius is now communicated to the collision
77! routines by array radclass
78!
79! Bugfix: transformation factor for dissipation changed from 1E5 to 1E4
80!
81! 825 2012-02-19 03:03:44Z raasch
82! routine renamed from wang_kernel to lpm_collision_kernels,
83! turbulence_effects on collision replaced by wang_kernel
84!
85! 790 2011-11-29 03:11:20Z raasch
86! initial revision
87!
88! Description:
89! ------------
90!> This module calculates collision efficiencies either due to pure gravitational
91!> effects (Hall kernel, see Hall, 1980: J. Atmos. Sci., 2486-2507) or
92!> including the effects of (SGS) turbulence (Wang kernel, see Wang and
93!> Grabowski, 2009: Atmos. Sci. Lett., 10, 1-8). The original code has been
94!> provided by L.-P. Wang but is substantially reformatted and speed optimized
95!> here.
96!>
97!> @attention Physical quantities (like g, densities, etc.) used in this module
98!>            still have to be adjusted to those values used in the main PALM code.
99!>            Also, quantities in CGS-units should be converted to SI-units eventually.
100!------------------------------------------------------------------------------!
101 MODULE lpm_collision_kernels_mod
102 
103
104    USE constants,                                                             &
105        ONLY:  pi
106       
107    USE kinds
108
109    USE particle_attributes,                                                   &
110        ONLY:  collision_kernel, dissipation_classes, particles, radius_classes
111
112    USE pegrid
113
114
115    IMPLICIT NONE
116
117    PRIVATE
118
119    PUBLIC  ckernel, collision_efficiency_rogers, init_kernels, &
120            rclass_lbound, rclass_ubound, recalculate_kernel
121
122    REAL(wp) ::  epsilon       !<
123    REAL(wp) ::  eps2          !<
124    REAL(wp) ::  rclass_lbound !<
125    REAL(wp) ::  rclass_ubound !<
126    REAL(wp) ::  urms          !<
127    REAL(wp) ::  urms2         !<
128
129    REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  epsclass !<
130    REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  radclass !<
131    REAL(wp), DIMENSION(:),   ALLOCATABLE ::  winf     !<
132   
133    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ec       !<
134    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  ecf      !<
135    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  gck      !<
136    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  hkernel  !<
137    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  hwratio  !<
138   
139    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE   ::  ckernel !<
140
141    SAVE
142
143!
144!-- Public interfaces
145    INTERFACE collision_efficiency_rogers
146       MODULE PROCEDURE collision_efficiency_rogers
147    END INTERFACE collision_efficiency_rogers
148
149    INTERFACE init_kernels
150       MODULE PROCEDURE init_kernels
151    END INTERFACE init_kernels
152
153    INTERFACE recalculate_kernel
154       MODULE PROCEDURE recalculate_kernel
155    END INTERFACE recalculate_kernel
156
157
158    CONTAINS
159
160
161!------------------------------------------------------------------------------!
162! Description:
163! ------------
164!> Initialization of the collision efficiency matrix with fixed radius and
165!> dissipation classes, calculated at simulation start only.
166!------------------------------------------------------------------------------!
167 
168    SUBROUTINE init_kernels
169
170       IMPLICIT NONE
171
172       INTEGER(iwp) ::  i !<
173       INTEGER(iwp) ::  j !<
174       INTEGER(iwp) ::  k !<
175
176
177!
178!--    Calculate collision efficiencies for fixed radius- and dissipation
179!--    classes
180       IF ( collision_kernel(6:9) == 'fast' )  THEN
181
182          ALLOCATE( ckernel(1:radius_classes,1:radius_classes,               &
183                    0:dissipation_classes), epsclass(1:dissipation_classes), &
184                    radclass(1:radius_classes) )
185
186!
187!--       Calculate the radius class bounds with logarithmic distances
188!--       in the interval [1.0E-6, 2.0E-4] m
189          rclass_lbound = LOG( 1.0E-6_wp )
190          rclass_ubound = LOG( 2.0E-4_wp )
191          radclass(1)   = 1.0E-6_wp
192          DO  i = 2, radius_classes
193             radclass(i) = EXP( rclass_lbound +                                &
194                                ( rclass_ubound - rclass_lbound ) *            &
195                                ( i - 1.0_wp ) / ( radius_classes - 1.0_wp ) )
196          ENDDO
197
198!
199!--       Set the class bounds for dissipation in interval [0.0, 0.1] m**2/s**3
200          DO  i = 1, dissipation_classes
201             epsclass(i) = 0.1_wp * REAL( i, KIND=wp ) / dissipation_classes
202          ENDDO
203!
204!--       Calculate collision efficiencies of the Wang/ayala kernel
205          ALLOCATE( ec(1:radius_classes,1:radius_classes),  &
206                    ecf(1:radius_classes,1:radius_classes), &
207                    gck(1:radius_classes,1:radius_classes), &
208                    winf(1:radius_classes) )
209
210          DO  k = 1, dissipation_classes
211
212             epsilon = epsclass(k)
213             urms    = 2.02_wp * ( epsilon / 0.04_wp )**( 1.0_wp / 3.0_wp )
214
215             CALL turbsd
216             CALL turb_enhance_eff
217             CALL effic
218
219             DO  j = 1, radius_classes
220                DO  i = 1, radius_classes
221                   ckernel(i,j,k) = ec(i,j) * gck(i,j) * ecf(i,j)
222                ENDDO
223             ENDDO
224
225          ENDDO
226
227!
228!--       Calculate collision efficiencies of the Hall kernel
229          ALLOCATE( hkernel(1:radius_classes,1:radius_classes), &
230                    hwratio(1:radius_classes,1:radius_classes) )
231
232          CALL fallg
233          CALL effic
234
235          DO  j = 1, radius_classes
236             DO  i =  1, radius_classes
237                hkernel(i,j) = pi * ( radclass(j) + radclass(i) )**2 &
238                                  * ec(i,j) * ABS( winf(j) - winf(i) )
239                ckernel(i,j,0) = hkernel(i,j)  ! hall kernel stored on index 0
240              ENDDO
241          ENDDO
242
243!
244!--       Test output of efficiencies
245          IF ( j == -1 )  THEN
246
247             PRINT*, '*** Hall kernel'
248             WRITE ( *,'(5X,20(F4.0,1X))' ) ( radclass(i)*1.0E6_wp, &
249                                              i = 1,radius_classes )
250             DO  j = 1, radius_classes
251                WRITE ( *,'(F4.0,1X,20(F8.4,1X))' ) radclass(j),  &
252                                          ( hkernel(i,j), i = 1,radius_classes )
253             ENDDO
254
255             DO  k = 1, dissipation_classes
256                DO  i = 1, radius_classes
257                   DO  j = 1, radius_classes
258                      IF ( hkernel(i,j) == 0.0_wp )  THEN
259                         hwratio(i,j) = 9999999.9_wp
260                      ELSE
261                         hwratio(i,j) = ckernel(i,j,k) / hkernel(i,j)
262                      ENDIF
263                   ENDDO
264                ENDDO
265
266                PRINT*, '*** epsilon = ', epsclass(k)
267                WRITE ( *,'(5X,20(F4.0,1X))' ) ( radclass(i) * 1.0E6_wp, &
268                                                 i = 1,radius_classes )
269                DO  j = 1, radius_classes
270                   WRITE ( *,'(F4.0,1X,20(F8.4,1X))' ) radclass(j) * 1.0E6_wp, &
271                                          ( hwratio(i,j), i = 1,radius_classes )
272                ENDDO
273             ENDDO
274
275          ENDIF
276
277          DEALLOCATE( ec, ecf, epsclass, gck, hkernel, winf )
278
279       ELSEIF( collision_kernel == 'hall'  .OR.  collision_kernel == 'wang' ) &
280       THEN
281!
282!--       Initial settings for Hall- and Wang-Kernel
283!--       To be done: move here parts from turbsd, fallg, ecoll, etc.
284       ENDIF
285
286    END SUBROUTINE init_kernels
287
288
289!------------------------------------------------------------------------------!
290! Description:
291! ------------
292!> Calculation of collision kernels during each timestep and for each grid box
293!------------------------------------------------------------------------------!
294    SUBROUTINE recalculate_kernel( i1, j1, k1 )
295
296       USE arrays_3d,                                                          &
297           ONLY:  diss
298
299       USE particle_attributes,                                                &
300           ONLY:  prt_count, radius_classes, wang_kernel
301
302       IMPLICIT NONE
303
304       INTEGER(iwp) ::  i      !<
305       INTEGER(iwp) ::  i1     !<
306       INTEGER(iwp) ::  j      !<
307       INTEGER(iwp) ::  j1     !<
308       INTEGER(iwp) ::  k1     !<
309       INTEGER(iwp) ::  pend   !<
310       INTEGER(iwp) ::  pstart !<
311
312
313       pstart = 1
314       pend   = prt_count(k1,j1,i1)
315       radius_classes = prt_count(k1,j1,i1)
316
317       ALLOCATE( ec(1:radius_classes,1:radius_classes), &
318                 radclass(1:radius_classes), winf(1:radius_classes) )
319
320!
321!--    Store particle radii on the radclass array
322       radclass(1:radius_classes) = particles(pstart:pend)%radius
323
324       IF ( wang_kernel )  THEN
325          epsilon = diss(k1,j1,i1)   ! dissipation rate in m**2/s**3
326       ELSE
327          epsilon = 0.0_wp
328       ENDIF
329       urms    = 2.02_wp * ( epsilon / 0.04_wp )**( 0.33333333333_wp )
330
331       IF ( wang_kernel  .AND.  epsilon > 1.0E-7_wp )  THEN
332!
333!--       Call routines to calculate efficiencies for the Wang kernel
334          ALLOCATE( gck(1:radius_classes,1:radius_classes), &
335                    ecf(1:radius_classes,1:radius_classes) )
336
337          CALL turbsd
338          CALL turb_enhance_eff
339          CALL effic
340
341          DO  j = 1, radius_classes
342             DO  i =  1, radius_classes
343                ckernel(pstart+i-1,pstart+j-1,1) = ec(i,j) * gck(i,j) * ecf(i,j)
344             ENDDO
345          ENDDO
346
347          DEALLOCATE( gck, ecf )
348
349       ELSE
350!
351!--       Call routines to calculate efficiencies for the Hall kernel
352          CALL fallg
353          CALL effic
354
355          DO  j = 1, radius_classes
356             DO  i =  1, radius_classes
357                ckernel(pstart+i-1,pstart+j-1,1) = pi *                       &
358                                          ( radclass(j) + radclass(i) )**2    &
359                                          * ec(i,j) * ABS( winf(j) - winf(i) )
360             ENDDO
361          ENDDO
362
363       ENDIF
364
365       DEALLOCATE( ec, radclass, winf )
366
367    END SUBROUTINE recalculate_kernel
368
369
370!------------------------------------------------------------------------------!
371! Description:
372! ------------
373!> Calculation of gck
374!> This is from Aayala 2008b, page 37ff.
375!> Necessary input parameters: water density, radii of droplets, air density,
376!> air viscosity, turbulent dissipation rate, taylor microscale reynolds number,
377!> gravitational acceleration  --> to be replaced by PALM parameters
378!------------------------------------------------------------------------------!
379    SUBROUTINE turbsd
380
381       USE control_parameters,                                                 &
382           ONLY:  g, molecular_viscosity
383   
384       USE particle_attributes,                                                &
385           ONLY:  radius_classes
386
387       IMPLICIT NONE
388       
389       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !<
390
391       INTEGER(iwp) ::  i     !<
392       INTEGER(iwp) ::  j     !<
393
394       REAL(wp) ::  ao        !<
395       REAL(wp) ::  ao_gr     !<
396       REAL(wp) ::  bbb       !<
397       REAL(wp) ::  be        !<
398       REAL(wp) ::  b1        !<
399       REAL(wp) ::  b2        !<
400       REAL(wp) ::  ccc       !<
401       REAL(wp) ::  c1        !<
402       REAL(wp) ::  c1_gr     !<
403       REAL(wp) ::  c2        !<
404       REAL(wp) ::  d1        !<
405       REAL(wp) ::  d2        !<
406       REAL(wp) ::  eta       !<
407       REAL(wp) ::  e1        !<
408       REAL(wp) ::  e2        !<
409       REAL(wp) ::  fao_gr    !<
410       REAL(wp) ::  fr        !<
411       REAL(wp) ::  grfin     !<
412       REAL(wp) ::  lambda    !<
413       REAL(wp) ::  lambda_re !<
414       REAL(wp) ::  lf        !<
415       REAL(wp) ::  rc        !<
416       REAL(wp) ::  rrp       !<
417       REAL(wp) ::  sst       !<
418       REAL(wp) ::  tauk      !<
419       REAL(wp) ::  tl        !<
420       REAL(wp) ::  t2        !<
421       REAL(wp) ::  tt        !<
422       REAL(wp) ::  t1        !<
423       REAL(wp) ::  vk        !<
424       REAL(wp) ::  vrms1xy   !<
425       REAL(wp) ::  vrms2xy   !<
426       REAL(wp) ::  v1        !<
427       REAL(wp) ::  v1v2xy    !<
428       REAL(wp) ::  v1xysq    !<
429       REAL(wp) ::  v2        !<
430       REAL(wp) ::  v2xysq    !<
431       REAL(wp) ::  wrfin     !<
432       REAL(wp) ::  wrgrav2   !<
433       REAL(wp) ::  wrtur2xy  !<
434       REAL(wp) ::  xx        !<
435       REAL(wp) ::  yy        !<
436       REAL(wp) ::  z         !<
437
438       REAL(wp), DIMENSION(1:radius_classes) ::  st  !<
439       REAL(wp), DIMENSION(1:radius_classes) ::  tau !<
440       
441!
442!--    Initial assignment of constants
443       IF ( first )  THEN
444
445          first = .FALSE.
446
447       ENDIF
448
449       lambda    = urms * SQRT( 15.0_wp * molecular_viscosity / epsilon ) ! in m
450       lambda_re = urms**2 * SQRT( 15.0_wp / epsilon / molecular_viscosity )
451       tl        = urms**2 / epsilon                       ! in s
452       lf        = 0.5_wp * urms**3 / epsilon              ! in m
453       tauk      = SQRT( molecular_viscosity / epsilon )                  ! in s
454       eta       = ( molecular_viscosity**3 / epsilon )**0.25_wp          ! in m
455       vk        = eta / tauk
456
457       ao = ( 11.0_wp + 7.0_wp * lambda_re ) / ( 205.0_wp + lambda_re )
458       tt = SQRT( 2.0_wp * lambda_re / ( SQRT( 15.0_wp ) * ao ) ) * tauk  ! in s
459
460       CALL fallg    ! gives winf in m/s
461
462       DO  i = 1, radius_classes
463          tau(i) = winf(i) / g    ! in s
464          st(i)  = tau(i) / tauk
465       ENDDO
466
467!
468!--    Calculate wr (from Aayala 2008b, page 38f)
469       z   = tt / tl
470       be  = SQRT( 2.0_wp ) * lambda / lf
471       bbb = SQRT( 1.0_wp - 2.0_wp * be**2 )
472       d1  = ( 1.0_wp + bbb ) / ( 2.0_wp * bbb )
473       e1  = lf * ( 1.0_wp + bbb ) * 0.5_wp   ! in m
474       d2  = ( 1.0_wp - bbb ) * 0.5_wp / bbb
475       e2  = lf * ( 1.0_wp - bbb ) * 0.5_wp   ! in m
476       ccc = SQRT( 1.0_wp - 2.0_wp * z**2 )
477       b1  = ( 1.0_wp + ccc ) * 0.5_wp / ccc
478       c1  = tl * ( 1.0_wp + ccc ) * 0.5_wp   ! in s
479       b2  = ( 1.0_wp - ccc ) * 0.5_wp / ccc
480       c2  = tl * ( 1.0_wp - ccc ) * 0.5_wp   ! in s
481
482       DO  i = 1, radius_classes
483
484          v1 = winf(i)        ! in m/s
485          t1 = tau(i)         ! in s
486
487          DO  j = 1, i
488             rrp = radclass(i) + radclass(j)
489             v2  = winf(j)                                 ! in m/s
490             t2  = tau(j)                                  ! in s
491
492             v1xysq  = b1 * d1 * phi_w(c1,e1,v1,t1) - b1 * d2 * phi_w(c1,e2,v1,t1) &
493                     - b2 * d1 * phi_w(c2,e1,v1,t1) + b2 * d2 * phi_w(c2,e2,v1,t1)
494             v1xysq  = v1xysq * urms**2 / t1                ! in m**2/s**2
495             vrms1xy = SQRT( v1xysq )                       ! in m/s
496
497             v2xysq  = b1 * d1 * phi_w(c1,e1,v2,t2) - b1 * d2 * phi_w(c1,e2,v2,t2) &
498                     - b2 * d1 * phi_w(c2,e1,v2,t2) + b2 * d2 * phi_w(c2,e2,v2,t2)
499             v2xysq  = v2xysq * urms**2 / t2                ! in m**2/s**2
500             vrms2xy = SQRT( v2xysq )                       ! in m/s
501
502             IF ( winf(i) >= winf(j) )  THEN
503                v1 = winf(i)
504                t1 = tau(i)
505                v2 = winf(j)
506                t2 = tau(j)
507             ELSE
508                v1 = winf(j)
509                t1 = tau(j)
510                v2 = winf(i)
511                t2 = tau(i)
512             ENDIF
513
514             v1v2xy   =  b1 * d1 * zhi(c1,e1,v1,t1,v2,t2) - &
515                         b1 * d2 * zhi(c1,e2,v1,t1,v2,t2) - &
516                         b2 * d1 * zhi(c2,e1,v1,t1,v2,t2) + &
517                         b2 * d2* zhi(c2,e2,v1,t1,v2,t2)
518             fr       = d1 * EXP( -rrp / e1 ) - d2 * EXP( -rrp / e2 )
519             v1v2xy   = v1v2xy * fr * urms**2 / tau(i) / tau(j)   ! in m**2/s**2
520             wrtur2xy = vrms1xy**2 + vrms2xy**2 - 2.0_wp * v1v2xy ! in m**2/s**2
521             IF ( wrtur2xy < 0.0_wp )  wrtur2xy = 0.0_wp
522             wrgrav2  = pi / 8.0_wp * ( winf(j) - winf(i) )**2
523             wrfin    = SQRT( ( 2.0_wp / pi ) * ( wrtur2xy + wrgrav2) ) ! in m/s
524
525!
526!--          Calculate gr
527             IF ( st(j) > st(i) )  THEN
528                sst = st(j)
529             ELSE
530                sst = st(i)
531             ENDIF
532
533             xx = -0.1988_wp * sst**4 + 1.5275_wp * sst**3 - 4.2942_wp *       &
534                   sst**2 + 5.3406_wp * sst
535             IF ( xx < 0.0_wp )  xx = 0.0_wp
536             yy = 0.1886_wp * EXP( 20.306_wp / lambda_re )
537
538             c1_gr  =  xx / ( g / vk * tauk )**yy
539
540             ao_gr  = ao + ( pi / 8.0_wp) * ( g / vk * tauk )**2
541             fao_gr = 20.115_wp * SQRT( ao_gr / lambda_re )
542             rc     = SQRT( fao_gr * ABS( st(j) - st(i) ) ) * eta   ! in cm
543
544             grfin  = ( ( eta**2 + rc**2 ) / ( rrp**2 + rc**2) )**( c1_gr*0.5_wp )
545             IF ( grfin < 1.0_wp )  grfin = 1.0_wp
546
547             gck(i,j) = 2.0_wp * pi * rrp**2 * wrfin * grfin        ! in cm**3/s
548             gck(j,i) = gck(i,j)
549
550          ENDDO
551       ENDDO
552
553    END SUBROUTINE turbsd
554
555
556!------------------------------------------------------------------------------!
557! Description:
558! ------------
559!> phi_w as a function
560!------------------------------------------------------------------------------!
561    REAL(wp) FUNCTION phi_w( a, b, vsett, tau0 )
562
563       IMPLICIT NONE
564
565       REAL(wp) ::  a     !<
566       REAL(wp) ::  aa1   !<
567       REAL(wp) ::  b     !<
568       REAL(wp) ::  tau0  !<
569       REAL(wp) ::  vsett !<
570
571       aa1 = 1.0_wp / tau0 + 1.0_wp / a + vsett / b
572       phi_w = 1.0_wp / aa1  - 0.5_wp * vsett / b / aa1**2  ! in s
573
574    END FUNCTION phi_w
575
576
577!------------------------------------------------------------------------------!
578! Description:
579! ------------
580!> zhi as a function
581!------------------------------------------------------------------------------!
582    REAL(wp) FUNCTION zhi( a, b, vsett1, tau1, vsett2, tau2 )
583
584       IMPLICIT NONE
585
586       REAL(wp) ::  a      !<
587       REAL(wp) ::  aa1    !<
588       REAL(wp) ::  aa2    !<
589       REAL(wp) ::  aa3    !<
590       REAL(wp) ::  aa4    !<
591       REAL(wp) ::  aa5    !<
592       REAL(wp) ::  aa6    !<
593       REAL(wp) ::  b      !<
594       REAL(wp) ::  tau1   !<
595       REAL(wp) ::  tau2   !<
596       REAL(wp) ::  vsett1 !<
597       REAL(wp) ::  vsett2 !<
598
599       aa1 = vsett2 / b - 1.0_wp / tau2 - 1.0_wp / a
600       aa2 = vsett1 / b + 1.0_wp / tau1 + 1.0_wp / a
601       aa3 = ( vsett1 - vsett2 ) / b + 1.0_wp / tau1 + 1.0_wp / tau2
602       aa4 = ( vsett2 / b )**2 - ( 1.0_wp / tau2 + 1.0_wp / a )**2
603       aa5 = vsett2 / b + 1.0_wp / tau2 + 1.0_wp / a
604       aa6 = 1.0_wp / tau1 - 1.0_wp / a + ( 1.0_wp / tau2 + 1.0_wp / a) *      &
605             vsett1 / vsett2
606       zhi = (1.0_wp / aa1 - 1.0_wp / aa2 ) * ( vsett1 - vsett2 ) * 0.5_wp /   &
607             b / aa3**2 + ( 4.0_wp / aa4 - 1.0_wp / aa5**2 - 1.0_wp / aa1**2 ) &
608             * vsett2 * 0.5_wp / b /aa6 + ( 2.0_wp * ( b / aa2 - b / aa1 ) -   &
609             vsett1 / aa2**2 + vsett2 / aa1**2 ) * 0.5_wp / b / aa3    ! in s**2
610
611    END FUNCTION zhi
612
613
614!------------------------------------------------------------------------------!
615! Description:
616! ------------
617!> Calculation of terminal velocity winf following Equations 10-138 to 10-145
618!> from (Pruppacher and Klett, 1997)
619!------------------------------------------------------------------------------!
620    SUBROUTINE fallg
621 
622       USE cloud_parameters,                                                   &
623           ONLY:  rho_l
624   
625       USE control_parameters,                                                 &
626           ONLY:  g
627
628       USE particle_attributes,                                                &
629           ONLY:  radius_classes
630
631
632       IMPLICIT NONE
633
634       INTEGER(iwp) ::  i !<
635       INTEGER(iwp) ::  j !<
636
637       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !<
638
639       REAL(wp), SAVE ::  cunh  !<
640       REAL(wp), SAVE ::  eta   !<
641       REAL(wp), SAVE ::  phy   !<
642       REAL(wp), SAVE ::  py    !<
643       REAL(wp), SAVE ::  rho_a !<
644       REAL(wp), SAVE ::  sigma !<
645       REAL(wp), SAVE ::  stb   !<
646       REAL(wp), SAVE ::  stok  !<
647       REAL(wp), SAVE ::  xlamb !<
648
649       REAL(wp) ::  bond        !<
650       REAL(wp) ::  x           !<
651       REAL(wp) ::  xrey        !<
652       REAL(wp) ::  y           !<
653
654       REAL(wp), DIMENSION(1:7), SAVE  ::  b !<
655       REAL(wp), DIMENSION(1:6), SAVE  ::  c !<
656
657!
658!--    Initial assignment of constants
659       IF ( first )  THEN
660
661          first = .FALSE.
662          b = (/  -0.318657E1_wp,   0.992696E0_wp,  -0.153193E-2_wp, &
663                  -0.987059E-3_wp, -0.578878E-3_wp,  0.855176E-4_wp, &
664                  -0.327815E-5_wp /)
665          c = (/  -0.500015E1_wp,   0.523778E1_wp,  -0.204914E1_wp,   &
666                   0.475294E0_wp,  -0.542819E-1_wp,  0.238449E-2_wp /)
667
668!
669!--       Parameter values for p = 1013,25 hPa and T = 293,15 K
670          eta   = 1.818E-5_wp         ! in kg/(m s)
671          xlamb = 6.6E-8_wp           ! in m
672          rho_a = 1.204_wp            ! in kg/m**3
673          cunh  = 1.26_wp * xlamb     ! in m
674          sigma = 0.07363_wp          ! in kg/s**2
675          stok  = 2.0_wp  * g * ( rho_l - rho_a ) / ( 9.0_wp * eta ) ! in 1/(m s)
676          stb   = 32.0_wp * rho_a * ( rho_l - rho_a) * g / (3.0_wp * eta * eta)
677          phy   = sigma**3 * rho_a**2 / ( eta**4 * g * ( rho_l - rho_a ) )
678          py    = phy**( 1.0_wp / 6.0_wp )
679
680       ENDIF
681
682       DO  j = 1, radius_classes
683
684          IF ( radclass(j) <= 1.0E-5_wp )  THEN
685
686             winf(j) = stok * ( radclass(j)**2 + cunh * radclass(j) )
687
688          ELSEIF ( radclass(j) > 1.0E-5_wp  .AND.  radclass(j) <= 5.35E-4_wp )  THEN
689
690             x = LOG( stb * radclass(j)**3 )
691             y = 0.0_wp
692
693             DO  i = 1, 7
694                y = y + b(i) * x**(i-1)
695             ENDDO
696!
697!--          Note: this Eq. is wrong in (Pruppacher and Klett, 1997, p. 418)
698!--          for correct version see (Beard, 1976)
699             xrey = ( 1.0_wp + cunh / radclass(j) ) * EXP( y )
700
701             winf(j) = xrey * eta / ( 2.0_wp * rho_a * radclass(j) )
702
703          ELSEIF ( radclass(j) > 5.35E-4_wp )  THEN
704
705             IF ( radclass(j) > 0.0035_wp )  THEN
706                bond = g * ( rho_l - rho_a ) * 0.0035_wp**2 / sigma
707             ELSE
708               bond = g * ( rho_l - rho_a ) * radclass(j)**2 / sigma
709             ENDIF
710
711             x = LOG( 16.0_wp * bond * py / 3.0_wp )
712             y = 0.0_wp
713
714             DO  i = 1, 6
715                y = y + c(i) * x**(i-1)
716             ENDDO
717
718             xrey = py * EXP( y )
719
720             IF ( radclass(j) > 0.0035_wp )  THEN
721                winf(j) = xrey * eta / ( 2.0_wp * rho_a * 0.0035_wp )
722             ELSE
723                winf(j) = xrey * eta / ( 2.0_wp * rho_a * radclass(j) )
724             ENDIF
725
726          ENDIF
727
728       ENDDO
729
730    END SUBROUTINE fallg
731
732
733!------------------------------------------------------------------------------!
734! Description:
735! ------------
736!> Calculation of collision efficiencies for the Hall kernel
737!------------------------------------------------------------------------------!
738    SUBROUTINE effic
739 
740       USE particle_attributes,                                                &
741           ONLY:  radius_classes
742
743       IMPLICIT NONE
744
745       INTEGER(iwp) ::  i  !<
746       INTEGER(iwp) ::  iq !<
747       INTEGER(iwp) ::  ir !<
748       INTEGER(iwp) ::  j  !<
749       INTEGER(iwp) ::  k  !<
750
751       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ira !<
752
753       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !<
754
755       REAL(wp) ::  ek              !<
756       REAL(wp) ::  particle_radius !<
757       REAL(wp) ::  pp              !<
758       REAL(wp) ::  qq              !<
759       REAL(wp) ::  rq              !<
760
761       REAL(wp), DIMENSION(1:21), SAVE ::  rat        !<
762       
763       REAL(wp), DIMENSION(1:15), SAVE ::  r0         !<
764       
765       REAL(wp), DIMENSION(1:15,1:21), SAVE ::  ecoll !<
766
767!
768!--    Initial assignment of constants
769       IF ( first )  THEN
770
771         first = .FALSE.
772         r0  = (/   6.0_wp,   8.0_wp,  10.0_wp, 15.0_wp,  20.0_wp,  25.0_wp,  &
773                   30.0_wp,  40.0_wp,  50.0_wp, 60.0_wp,  70.0_wp, 100.0_wp,  &
774                  150.0_wp, 200.0_wp, 300.0_wp /)
775
776         rat = (/ 0.00_wp, 0.05_wp, 0.10_wp, 0.15_wp, 0.20_wp, 0.25_wp,       &
777                  0.30_wp, 0.35_wp, 0.40_wp, 0.45_wp, 0.50_wp, 0.55_wp,       &
778                  0.60_wp, 0.65_wp, 0.70_wp, 0.75_wp, 0.80_wp, 0.85_wp,       &
779                  0.90_wp, 0.95_wp, 1.00_wp /)
780
781         ecoll(:,1)  = (/ 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, &
782                          0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, &
783                          0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp, 0.001_wp /)
784         ecoll(:,2)  = (/ 0.003_wp, 0.003_wp, 0.003_wp, 0.004_wp, 0.005_wp, &
785                          0.005_wp, 0.005_wp, 0.010_wp, 0.100_wp, 0.050_wp, &
786                          0.200_wp, 0.500_wp, 0.770_wp, 0.870_wp, 0.970_wp /)
787         ecoll(:,3)  = (/ 0.007_wp, 0.007_wp, 0.007_wp, 0.008_wp, 0.009_wp, &
788                          0.010_wp, 0.010_wp, 0.070_wp, 0.400_wp, 0.430_wp, &
789                          0.580_wp, 0.790_wp, 0.930_wp, 0.960_wp, 1.000_wp /)
790         ecoll(:,4)  = (/ 0.009_wp, 0.009_wp, 0.009_wp, 0.012_wp, 0.015_wp, &
791                          0.010_wp, 0.020_wp, 0.280_wp, 0.600_wp, 0.640_wp, &
792                          0.750_wp, 0.910_wp, 0.970_wp, 0.980_wp, 1.000_wp /)
793         ecoll(:,5)  = (/ 0.014_wp, 0.014_wp, 0.014_wp, 0.015_wp, 0.016_wp, &
794                          0.030_wp, 0.060_wp, 0.500_wp, 0.700_wp, 0.770_wp, &
795                          0.840_wp, 0.950_wp, 0.970_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
796         ecoll(:,6)  = (/ 0.017_wp, 0.017_wp, 0.017_wp, 0.020_wp, 0.022_wp, &
797                          0.060_wp, 0.100_wp, 0.620_wp, 0.780_wp, 0.840_wp, &
798                          0.880_wp, 0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
799         ecoll(:,7)  = (/ 0.030_wp, 0.030_wp, 0.024_wp, 0.022_wp, 0.032_wp, &
800                          0.062_wp, 0.200_wp, 0.680_wp, 0.830_wp, 0.870_wp, &
801                          0.900_wp, 0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
802         ecoll(:,8)  = (/ 0.025_wp, 0.025_wp, 0.025_wp, 0.036_wp, 0.043_wp, &
803                          0.130_wp, 0.270_wp, 0.740_wp, 0.860_wp, 0.890_wp, &
804                          0.920_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
805         ecoll(:,9)  = (/ 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, 0.040_wp, 0.052_wp, &
806                          0.200_wp, 0.400_wp, 0.780_wp, 0.880_wp, 0.900_wp, &
807                          0.940_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
808         ecoll(:,10) = (/ 0.030_wp, 0.030_wp, 0.030_wp, 0.047_wp, 0.064_wp, &
809                          0.250_wp, 0.500_wp, 0.800_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
810                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
811         ecoll(:,11) = (/ 0.040_wp, 0.040_wp, 0.033_wp, 0.037_wp, 0.068_wp, &
812                          0.240_wp, 0.550_wp, 0.800_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
813                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
814         ecoll(:,12) = (/ 0.035_wp, 0.035_wp, 0.035_wp, 0.055_wp, 0.079_wp, &
815                          0.290_wp, 0.580_wp, 0.800_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
816                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
817         ecoll(:,13) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.062_wp, 0.082_wp, &
818                          0.290_wp, 0.590_wp, 0.780_wp, 0.900_wp, 0.910_wp, &
819                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
820         ecoll(:,14) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.060_wp, 0.080_wp, &
821                          0.290_wp, 0.580_wp, 0.770_wp, 0.890_wp, 0.910_wp, &
822                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
823         ecoll(:,15) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.041_wp, 0.075_wp, &
824                          0.250_wp, 0.540_wp, 0.760_wp, 0.880_wp, 0.920_wp, &
825                          0.950_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
826         ecoll(:,16) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.052_wp, 0.067_wp, &
827                          0.250_wp, 0.510_wp, 0.770_wp, 0.880_wp, 0.930_wp, &
828                          0.970_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
829         ecoll(:,17) = (/ 0.037_wp, 0.037_wp, 0.037_wp, 0.047_wp, 0.057_wp, &
830                          0.250_wp, 0.490_wp, 0.770_wp, 0.890_wp, 0.950_wp, &
831                          1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp, 1.000_wp /)
832         ecoll(:,18) = (/ 0.036_wp, 0.036_wp, 0.036_wp, 0.042_wp, 0.048_wp, &
833                          0.230_wp, 0.470_wp, 0.780_wp, 0.920_wp, 1.000_wp, &
834                          1.020_wp, 1.020_wp, 1.020_wp, 1.020_wp, 1.020_wp /)
835         ecoll(:,19) = (/ 0.040_wp, 0.040_wp, 0.035_wp, 0.033_wp, 0.040_wp, &
836                          0.112_wp, 0.450_wp, 0.790_wp, 1.010_wp, 1.030_wp, &
837                          1.040_wp, 1.040_wp, 1.040_wp, 1.040_wp, 1.040_wp /)
838         ecoll(:,20) = (/ 0.033_wp, 0.033_wp, 0.033_wp, 0.033_wp, 0.033_wp, &
839                          0.119_wp, 0.470_wp, 0.950_wp, 1.300_wp, 1.700_wp, &
840                          2.300_wp, 2.300_wp, 2.300_wp, 2.300_wp, 2.300_wp /)
841         ecoll(:,21) = (/ 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, 0.027_wp, &
842                          0.125_wp, 0.520_wp, 1.400_wp, 2.300_wp, 3.000_wp, &
843                          4.000_wp, 4.000_wp, 4.000_wp, 4.000_wp, 4.000_wp /)
844       ENDIF
845
846!
847!--    Calculate the radius class index of particles with respect to array r
848!--    Radius has to be in µm
849       ALLOCATE( ira(1:radius_classes) )
850       DO  j = 1, radius_classes
851          particle_radius = radclass(j) * 1.0E6_wp
852          DO  k = 1, 15
853             IF ( particle_radius < r0(k) )  THEN
854                ira(j) = k
855                EXIT
856             ENDIF
857          ENDDO
858          IF ( particle_radius >= r0(15) )  ira(j) = 16
859       ENDDO
860
861!
862!--    Two-dimensional linear interpolation of the collision efficiency.
863!--    Radius has to be in µm
864       DO  j = 1, radius_classes
865          DO  i = 1, j
866
867             ir = ira(j)
868             rq = MIN( radclass(i) / radclass(j), radclass(j) / radclass(i) )
869             iq = INT( rq * 20 ) + 1
870             iq = MAX( iq , 2)
871
872             IF ( ir < 16 )  THEN
873                IF ( ir >= 2 )  THEN
874                   pp = ( ( radclass(j) * 1.0E06_wp ) - r0(ir-1) ) / &
875                        ( r0(ir) - r0(ir-1) )
876                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
877                   ec(j,i) = ( 1.0_wp - pp ) * ( 1.0_wp - qq )                 &
878                             * ecoll(ir-1,iq-1)                                &
879                             + pp * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll(ir,iq-1)           &
880                             + qq * ( 1.0_wp - pp ) * ecoll(ir-1,iq)           &
881                             + pp * qq * ecoll(ir,iq)
882                ELSE
883                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
884                   ec(j,i) = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll(1,iq-1) + qq * ecoll(1,iq)
885                ENDIF
886             ELSE
887                qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
888                ek = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll(15,iq-1) + qq * ecoll(15,iq)
889                ec(j,i) = MIN( ek, 1.0_wp )
890             ENDIF
891
892             IF ( ec(j,i) < 1.0E-20_wp )  ec(j,i) = 0.0_wp
893
894             ec(i,j) = ec(j,i)
895
896          ENDDO
897       ENDDO
898
899       DEALLOCATE( ira )
900
901    END SUBROUTINE effic
902
903
904!------------------------------------------------------------------------------!
905! Description:
906! ------------
907!> Calculation of enhancement factor for collision efficencies due to turbulence
908!------------------------------------------------------------------------------!
909    SUBROUTINE turb_enhance_eff
910
911       USE particle_attributes,                                                &
912           ONLY:  radius_classes
913
914       IMPLICIT NONE
915
916       INTEGER(iwp) :: i  !<
917       INTEGER(iwp) :: iq !<
918       INTEGER(iwp) :: ir !<
919       INTEGER(iwp) :: j  !<
920       INTEGER(iwp) :: k  !<
921       INTEGER(iwp) :: kk !<
922
923       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  ira !<
924       
925       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !<
926
927       REAL(wp) ::  particle_radius !<
928       REAL(wp) ::  pp              !<
929       REAL(wp) ::  qq              !<
930       REAL(wp) ::  rq              !<
931       REAL(wp) ::  y1              !<
932       REAL(wp) ::  y2              !<
933       REAL(wp) ::  y3              !<
934
935       REAL(wp), DIMENSION(1:11), SAVE ::  rat           !<
936       
937       REAL(wp), DIMENSION(1:7), SAVE  ::  r0            !<
938       
939       REAL(wp), DIMENSION(1:7,1:11), SAVE ::  ecoll_100 !<
940       REAL(wp), DIMENSION(1:7,1:11), SAVE ::  ecoll_400 !<
941
942!
943!--    Initial assignment of constants
944       IF ( first )  THEN
945
946          first = .FALSE.
947
948          r0  = (/  10.0_wp, 20.0_wp, 30.0_wp, 40.0_wp, 50.0_wp, 60.0_wp,  &
949                   100.0_wp /)
950
951          rat = (/ 0.0_wp, 0.1_wp, 0.2_wp, 0.3_wp, 0.4_wp, 0.5_wp, 0.6_wp, &
952                   0.7_wp, 0.8_wp, 0.9_wp, 1.0_wp /)
953!
954!--       for 100 cm**2/s**3
955          ecoll_100(:,1)  = (/  1.74_wp,   1.74_wp,   1.773_wp, 1.49_wp,  &
956                                1.207_wp,  1.207_wp,  1.0_wp /)
957          ecoll_100(:,2)  = (/  1.46_wp,   1.46_wp,   1.421_wp, 1.245_wp, &
958                                1.069_wp,  1.069_wp,  1.0_wp /)
959          ecoll_100(:,3)  = (/  1.32_wp,   1.32_wp,   1.245_wp, 1.123_wp, &
960                                1.000_wp,  1.000_wp,  1.0_wp /)
961          ecoll_100(:,4)  = (/  1.250_wp,  1.250_wp,  1.148_wp, 1.087_wp, &
962                                1.025_wp,  1.025_wp,  1.0_wp /)
963          ecoll_100(:,5)  = (/  1.186_wp,  1.186_wp,  1.066_wp, 1.060_wp, &
964                                1.056_wp,  1.056_wp,  1.0_wp /)
965          ecoll_100(:,6)  = (/  1.045_wp,  1.045_wp,  1.000_wp, 1.014_wp, &
966                                1.028_wp,  1.028_wp,  1.0_wp /)
967          ecoll_100(:,7)  = (/  1.070_wp,  1.070_wp,  1.030_wp, 1.038_wp, &
968                                1.046_wp,  1.046_wp,  1.0_wp /)
969          ecoll_100(:,8)  = (/  1.000_wp,  1.000_wp,  1.054_wp, 1.042_wp, &
970                                1.029_wp,  1.029_wp,  1.0_wp /)
971          ecoll_100(:,9)  = (/  1.223_wp,  1.223_wp,  1.117_wp, 1.069_wp, &
972                                1.021_wp,  1.021_wp,  1.0_wp /)
973          ecoll_100(:,10) = (/  1.570_wp,  1.570_wp,  1.244_wp, 1.166_wp, &
974                                1.088_wp,  1.088_wp,  1.0_wp /)
975          ecoll_100(:,11) = (/ 20.3_wp,   20.3_wp,   14.6_wp,  8.61_wp,  &
976                                2.60_wp,   2.60_wp,   1.0_wp /)
977!
978!--       for 400 cm**2/s**3
979          ecoll_400(:,1)  = (/  4.976_wp,  4.976_wp,  3.593_wp,  2.519_wp, &
980                                1.445_wp,  1.445_wp,  1.0_wp /)
981          ecoll_400(:,2)  = (/  2.984_wp,  2.984_wp,  2.181_wp,  1.691_wp, &
982                                1.201_wp,  1.201_wp,  1.0_wp /)
983          ecoll_400(:,3)  = (/  1.988_wp,  1.988_wp,  1.475_wp,  1.313_wp, &
984                                1.150_wp,  1.150_wp,  1.0_wp /)
985          ecoll_400(:,4)  = (/  1.490_wp,  1.490_wp,  1.187_wp,  1.156_wp, &
986                                1.126_wp,  1.126_wp,  1.0_wp /)
987          ecoll_400(:,5)  = (/  1.249_wp,  1.249_wp,  1.088_wp,  1.090_wp, &
988                                1.092_wp,  1.092_wp,  1.0_wp /)
989          ecoll_400(:,6)  = (/  1.139_wp,  1.139_wp,  1.130_wp,  1.091_wp, &
990                                1.051_wp,  1.051_wp,  1.0_wp /)
991          ecoll_400(:,7)  = (/  1.220_wp,  1.220_wp,  1.190_wp,  1.138_wp, &
992                                1.086_wp,  1.086_wp,  1.0_wp /)
993          ecoll_400(:,8)  = (/  1.325_wp,  1.325_wp,  1.267_wp,  1.165_wp, &
994                                1.063_wp,  1.063_wp,  1.0_wp /)
995          ecoll_400(:,9)  = (/  1.716_wp,  1.716_wp,  1.345_wp,  1.223_wp, &
996                                1.100_wp,  1.100_wp,  1.0_wp /)
997          ecoll_400(:,10) = (/  3.788_wp,  3.788_wp,  1.501_wp,  1.311_wp, &
998                                1.120_wp,  1.120_wp,  1.0_wp /)
999          ecoll_400(:,11) = (/ 36.52_wp,  36.52_wp,  19.16_wp,  22.80_wp,  &
1000                               26.0_wp,   26.0_wp,    1.0_wp /)
1001
1002       ENDIF
1003
1004!
1005!--    Calculate the radius class index of particles with respect to array r0
1006!--    Radius has to be in µm
1007       ALLOCATE( ira(1:radius_classes) )
1008
1009       DO  j = 1, radius_classes
1010          particle_radius = radclass(j) * 1.0E6_wp
1011          DO  k = 1, 7
1012             IF ( particle_radius < r0(k) )  THEN
1013                ira(j) = k
1014                EXIT
1015             ENDIF
1016          ENDDO
1017          IF ( particle_radius >= r0(7) )  ira(j) = 8
1018       ENDDO
1019
1020!
1021!--    Two-dimensional linear interpolation of the collision efficiencies
1022!--    Radius has to be in µm
1023       DO  j =  1, radius_classes
1024          DO  i = 1, j
1025
1026             ir = ira(j)
1027             rq = MIN( radclass(i) / radclass(j), radclass(j) / radclass(i) )
1028
1029             DO  kk = 2, 11
1030                IF ( rq <= rat(kk) )  THEN
1031                   iq = kk
1032                   EXIT
1033                ENDIF
1034             ENDDO
1035
1036             y1 = 0.0001_wp      ! for 0 m**2/s**3
1037
1038             IF ( ir < 8 )  THEN
1039                IF ( ir >= 2 )  THEN
1040                   pp = ( radclass(j)*1.0E6_wp - r0(ir-1) ) / ( r0(ir) - r0(ir-1) )
1041                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
1042                   y2 = ( 1.0_wp - pp ) * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(ir-1,iq-1) + &
1043                                pp * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(ir,iq-1)        + &
1044                                qq * ( 1.0_wp - pp ) * ecoll_100(ir-1,iq)        + &
1045                                pp * qq              * ecoll_100(ir,iq)
1046                   y3 = ( 1.0-pp ) * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(ir-1,iq-1)      + &
1047                                pp * ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(ir,iq-1)        + &
1048                                qq * ( 1.0_wp - pp ) * ecoll_400(ir-1,iq)        + &
1049                                pp * qq              * ecoll_400(ir,iq)
1050                ELSE
1051                   qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
1052                   y2 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(1,iq-1) + qq * ecoll_100(1,iq)
1053                   y3 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(1,iq-1) + qq * ecoll_400(1,iq)
1054                ENDIF
1055             ELSE
1056                qq = ( rq - rat(iq-1) ) / ( rat(iq) - rat(iq-1) )
1057                y2 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_100(7,iq-1) + qq * ecoll_100(7,iq)
1058                y3 = ( 1.0_wp - qq ) * ecoll_400(7,iq-1) + qq * ecoll_400(7,iq)
1059             ENDIF
1060!
1061!--          Linear interpolation of dissipation rate in m**2/s**3
1062             IF ( epsilon <= 0.01_wp )  THEN
1063                ecf(j,i) = ( epsilon - 0.01_wp ) / ( 0.0_wp  - 0.01_wp ) * y1 &
1064                         + ( epsilon - 0.0_wp  ) / ( 0.01_wp - 0.0_wp  ) * y2
1065             ELSEIF ( epsilon <= 0.06_wp )  THEN
1066                ecf(j,i) = ( epsilon - 0.04_wp ) / ( 0.01_wp - 0.04_wp ) * y2 &
1067                         + ( epsilon - 0.01_wp ) / ( 0.04_wp - 0.01_wp ) * y3
1068             ELSE
1069                ecf(j,i) = ( 0.06_wp - 0.04_wp ) / ( 0.01_wp - 0.04_wp ) * y2 &
1070                         + ( 0.06_wp - 0.01_wp ) / ( 0.04_wp - 0.01_wp ) * y3
1071             ENDIF
1072
1073             IF ( ecf(j,i) < 1.0_wp )  ecf(j,i) = 1.0_wp
1074
1075             ecf(i,j) = ecf(j,i)
1076
1077          ENDDO
1078       ENDDO
1079
1080    END SUBROUTINE turb_enhance_eff
1081
1082
1083
1084!------------------------------------------------------------------------------!
1085! Description:
1086! ------------
1087!> Collision efficiencies from table 8.2 in Rogers and Yau (1989, 3rd edition).
1088!> Values are calculated from table by bilinear interpolation.
1089!------------------------------------------------------------------------------!
1090 
1091    SUBROUTINE collision_efficiency_rogers( mean_r, r, e)
1092
1093       IMPLICIT NONE
1094
1095       INTEGER(iwp)  ::  i !<
1096       INTEGER(iwp)  ::  j !<
1097       INTEGER(iwp)  ::  k !<
1098
1099       LOGICAL, SAVE ::  first = .TRUE. !<
1100
1101       REAL(wp)      ::  aa      !<
1102       REAL(wp)      ::  bb      !<
1103       REAL(wp)      ::  cc      !<
1104       REAL(wp)      ::  dd      !<
1105       REAL(wp)      ::  dx      !<
1106       REAL(wp)      ::  dy      !<
1107       REAL(wp)      ::  e       !<
1108       REAL(wp)      ::  gg      !<
1109       REAL(wp)      ::  mean_r  !<
1110       REAL(wp)      ::  mean_rm !<
1111       REAL(wp)      ::  r       !<
1112       REAL(wp)      ::  rm      !<
1113       REAL(wp)      ::  x       !<
1114       REAL(wp)      ::  y       !<
1115 
1116       REAL(wp), DIMENSION(1:9), SAVE      ::  collected_r = 0.0_wp !<
1117       
1118       REAL(wp), DIMENSION(1:19), SAVE     ::  collector_r = 0.0_wp !<
1119       
1120       REAL(wp), DIMENSION(1:9,1:19), SAVE ::  ef = 0.0_wp          !<
1121
1122       mean_rm = mean_r * 1.0E06_wp
1123       rm      = r      * 1.0E06_wp
1124
1125       IF ( first )  THEN
1126
1127          collected_r = (/    2.0_wp,    3.0_wp,    4.0_wp,    6.0_wp,    8.0_wp, &
1128                             10.0_wp,   15.0_wp,   20.0_wp,   25.0_wp /)
1129          collector_r = (/   10.0_wp,   20.0_wp,   30.0_wp,   40.0_wp,   50.0_wp, &
1130                             60.0_wp,   80.0_wp,  100.0_wp,  150.0_wp,  200.0_wp, &
1131                            300.0_wp,  400.0_wp,  500.0_wp,  600.0_wp, 1000.0_wp, &
1132                           1400.0_wp, 1800.0_wp, 2400.0_wp, 3000.0_wp /)
1133
1134          ef(:,1)  = (/ 0.017_wp, 0.027_wp, 0.037_wp, 0.052_wp, 0.052_wp,      &
1135                        0.052_wp, 0.052_wp, 0.0_wp,   0.0_wp /)
1136          ef(:,2)  = (/ 0.001_wp, 0.016_wp, 0.027_wp, 0.060_wp, 0.12_wp,       &
1137                        0.17_wp,  0.17_wp,  0.17_wp,  0.0_wp /)
1138          ef(:,3)  = (/ 0.001_wp, 0.001_wp, 0.02_wp,  0.13_wp,  0.28_wp,       &
1139                        0.37_wp,  0.54_wp,  0.55_wp,  0.47_wp/)
1140          ef(:,4)  = (/ 0.001_wp, 0.001_wp, 0.02_wp,  0.23_wp,  0.4_wp,        &
1141                        0.55_wp,  0.7_wp,   0.75_wp,  0.75_wp/)
1142          ef(:,5)  = (/ 0.01_wp,  0.01_wp,  0.03_wp,  0.3_wp,   0.4_wp,        &
1143                        0.58_wp,  0.73_wp,  0.75_wp,  0.79_wp/)
1144          ef(:,6)  = (/ 0.01_wp,  0.01_wp,  0.13_wp,  0.38_wp,  0.57_wp,       &
1145                        0.68_wp,  0.80_wp,  0.86_wp,  0.91_wp/)
1146          ef(:,7)  = (/ 0.01_wp,  0.085_wp, 0.23_wp,  0.52_wp,  0.68_wp,       &
1147                        0.76_wp,  0.86_wp,  0.92_wp,  0.95_wp/)
1148          ef(:,8)  = (/ 0.01_wp,  0.14_wp,  0.32_wp,  0.60_wp,  0.73_wp,       &
1149                        0.81_wp,  0.90_wp,  0.94_wp,  0.96_wp/)
1150          ef(:,9)  = (/ 0.025_wp, 0.25_wp,  0.43_wp,  0.66_wp,  0.78_wp,       &
1151                        0.83_wp,  0.92_wp,  0.95_wp,  0.96_wp/)
1152          ef(:,10) = (/ 0.039_wp, 0.3_wp,   0.46_wp,  0.69_wp,  0.81_wp,       &
1153                        0.87_wp,  0.93_wp,  0.95_wp,  0.96_wp/)
1154          ef(:,11) = (/ 0.095_wp, 0.33_wp,  0.51_wp,  0.72_wp,  0.82_wp,       &
1155                        0.87_wp,  0.93_wp,  0.96_wp,  0.97_wp/)
1156          ef(:,12) = (/ 0.098_wp, 0.36_wp,  0.51_wp,  0.73_wp,  0.83_wp,       &
1157                        0.88_wp,  0.93_wp,  0.96_wp,  0.97_wp/)
1158          ef(:,13) = (/ 0.1_wp,   0.36_wp,  0.52_wp,  0.74_wp,  0.83_wp,       &
1159                        0.88_wp,  0.93_wp,  0.96_wp,  0.97_wp/)
1160          ef(:,14) = (/ 0.17_wp,  0.4_wp,   0.54_wp,  0.72_wp,  0.83_wp,       &
1161                        0.88_wp,  0.94_wp,  0.98_wp,  1.0_wp /)
1162          ef(:,15) = (/ 0.15_wp,  0.37_wp,  0.52_wp,  0.74_wp,  0.82_wp,       &
1163                        0.88_wp,  0.94_wp,  0.98_wp,  1.0_wp /)
1164          ef(:,16) = (/ 0.11_wp,  0.34_wp,  0.49_wp,  0.71_wp,  0.83_wp,       &
1165                        0.88_wp,  0.94_wp,  0.95_wp,  1.0_wp /)
1166          ef(:,17) = (/ 0.08_wp,  0.29_wp,  0.45_wp,  0.68_wp,  0.8_wp,        &
1167                        0.86_wp,  0.96_wp,  0.94_wp,  1.0_wp /)
1168          ef(:,18) = (/ 0.04_wp,  0.22_wp,  0.39_wp,  0.62_wp,  0.75_wp,       &
1169                        0.83_wp,  0.92_wp,  0.96_wp,  1.0_wp /)
1170          ef(:,19) = (/ 0.02_wp,  0.16_wp,  0.33_wp,  0.55_wp,  0.71_wp,       &
1171                        0.81_wp,  0.90_wp,  0.94_wp,  1.0_wp /)
1172
1173       ENDIF
1174
1175       DO  k = 1, 8
1176          IF ( collected_r(k) <= mean_rm )  i = k
1177       ENDDO
1178
1179       DO  k = 1, 18
1180          IF ( collector_r(k) <= rm )  j = k
1181       ENDDO
1182
1183       IF ( rm < 10.0_wp )  THEN
1184          e = 0.0_wp
1185       ELSEIF ( mean_rm < 2.0_wp )  THEN
1186          e = 0.001_wp
1187       ELSEIF ( mean_rm >= 25.0_wp )  THEN
1188          IF( j <= 2 )  e = 0.0_wp
1189          IF( j == 3 )  e = 0.47_wp
1190          IF( j == 4 )  e = 0.8_wp
1191          IF( j == 5 )  e = 0.9_wp
1192          IF( j >=6  )  e = 1.0_wp
1193       ELSEIF ( rm >= 3000.0_wp )  THEN
1194          IF( i == 1 )  e = 0.02_wp
1195          IF( i == 2 )  e = 0.16_wp
1196          IF( i == 3 )  e = 0.33_wp
1197          IF( i == 4 )  e = 0.55_wp
1198          IF( i == 5 )  e = 0.71_wp
1199          IF( i == 6 )  e = 0.81_wp
1200          IF( i == 7 )  e = 0.90_wp
1201          IF( i >= 8 )  e = 0.94_wp
1202       ELSE
1203          x  = mean_rm - collected_r(i)
1204          y  = rm - collector_r(j)
1205          dx = collected_r(i+1) - collected_r(i)
1206          dy = collector_r(j+1) - collector_r(j)
1207          aa = x**2 + y**2
1208          bb = ( dx - x )**2 + y**2
1209          cc = x**2 + ( dy - y )**2
1210          dd = ( dx - x )**2 + ( dy - y )**2
1211          gg = aa + bb + cc + dd
1212
1213          e = ( (gg-aa)*ef(i,j) + (gg-bb)*ef(i+1,j) + (gg-cc)*ef(i,j+1) + &
1214                (gg-dd)*ef(i+1,j+1) ) / (3.0_wp * gg)
1215       ENDIF
1216
1217    END SUBROUTINE collision_efficiency_rogers
1218
1219 END MODULE lpm_collision_kernels_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.