source: palm/trunk/SOURCE/synthetic_turbulence_generator_mod.f90 @ 2669

Last change on this file since 2669 was 2669, checked in by raasch, 4 years ago

file attributes and activation strings in .palm.iofiles revised, file extensions for nesting, masked output, wind turbine data, etc. changed

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 35.4 KB
Line 
1!> @synthetic_turbulence_generator_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of PALM-4U.
4!
5! PALM-4U is free software: you can redistribute it and/or modify it under the
6! terms of the GNU General Public License as published by the Free Software
7! Foundation, either version 3 of the License, or (at your option) any later
8! version.
9!
10! PALM-4U 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 2017 Leibniz Universitaet Hannover
18!------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: synthetic_turbulence_generator_mod.f90 2669 2017-12-06 16:03:27Z raasch $
27! unit number for file containing turbulence generator data changed to 90
28! bugfix: preprocessor directives added for MPI specific code
29!
30! 2576 2017-10-24 13:49:46Z Giersch
31! Definition of a new function called stg_skip_var_list to skip module
32! parameters during reading restart data
33!
34! 2563 2017-10-19 15:36:10Z Giersch
35! stg_read_restart_data is called in stg_parin in the case of a restart run
36!
37! 2259 2017-06-08 09:09:11Z gronemeier
38! Initial revision
39!
40!
41!
42! Authors:
43! --------
44! @author Tobias Gronemeier, Atsushi Inagaki, Micha Gryschka, Christoph Knigge
45!
46!
47! Description:
48! ------------
49!> The module generates turbulence at the inflow boundary based on a method by
50!> Xie and Castro (2008) utilizing a Lund rotation (Lund, 1998) and a mass-flux
51!> correction by Kim et al. (2013).
52!> The turbulence is correlated based on length scales in y- and z-direction and
53!> a time scale for each velocity component. The profiles of length and time
54!> scales, mean u, v, w, e and pt, and all components of the Reynolds stress
55!> tensor are read from file STG_PROFILES.
56!>
57!> @todo test restart
58!>       enable cyclic_fill
59!>       implement turbulence generation for e and pt
60!> @note <Enter notes on the module>
61!> @bug  Height information from input file is not used. Profiles from input
62!>       must match with current PALM grid.
63!>       Transformation of length scales to number of gridpoints does not
64!>       consider grid stretching.
65!>       In case of restart, velocity seeds differ from precursor run if a11,
66!>       a22, or a33 are zero.
67!------------------------------------------------------------------------------!
68 MODULE synthetic_turbulence_generator_mod
69
70
71    USE arrays_3d,                                                             &
72        ONLY:  mean_inflow_profiles, u, v, w
73
74    USE constants,                                                             &
75        ONLY:  pi
76
77    USE control_parameters,                                                    &
78        ONLY:  initializing_actions, message_string,                           &
79               synthetic_turbulence_generator
80
81    USE cpulog,                                                                &
82        ONLY:  cpu_log, log_point, log_point_s
83
84    USE indices,                                                               &
85        ONLY:  nbgp, nzb, nzt, nyng, nysg
86
87    USE kinds
88
89    USE MPI
90
91    USE pegrid,                                                                &
92        ONLY:  comm1dx, comm1dy, comm2d, id_inflow, ierr, myidx, pdims
93
94    USE transpose_indices,                                                     &
95        ONLY: nzb_x, nzt_x
96
97
98    IMPLICIT NONE
99
100    LOGICAL :: velocity_seed_initialized = .FALSE.           !< true after first call of stg_main
101    LOGICAL :: use_synthetic_turbulence_generator = .FALSE.  !< switch to use synthetic turbulence generator
102
103    INTEGER(iwp) :: stg_type_yz        !< MPI type for full z range
104    INTEGER(iwp) :: stg_type_yz_small  !< MPI type for small z range
105    INTEGER(iwp) :: merg               !< maximum length scale (in gp)
106    INTEGER(iwp) :: mergp              !< merg + nbgp
107
108    REAL(wp) :: mc_factor    !< mass flux correction factor
109
110    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: displs      !< displacement for MPI_GATHERV
111    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: recv_count  !< receive count for MPI_GATHERV
112    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: nuy         !< length scale of u in y direction (in gp)
113    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: nuz         !< length scale of u in z direction (in gp)
114    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: nvy         !< length scale of v in y direction (in gp)
115    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: nvz         !< length scale of v in z direction (in gp)
116    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: nwy         !< length scale of w in y direction (in gp)
117    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: nwz         !< length scale of w in z direction (in gp)
118
119    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: seed        !< seed of random number for rn-generator
120
121    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: a11             !< coefficient for Lund rotation
122    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: a21             !< coefficient for Lund rotation
123    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: a22             !< coefficient for Lund rotation
124    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: a31             !< coefficient for Lund rotation
125    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: a32             !< coefficient for Lund rotation
126    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: a33             !< coefficient for Lund rotation
127    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: tu              !< Lagrangian time scale of u
128    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: tv              !< Lagrangian time scale of v
129    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: tw              !< Lagrangian time scale of w
130
131    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: buy           !< filter function for u in y direction
132    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: buz           !< filter function for u in z direction
133    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: bvy           !< filter function for v in y direction
134    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: bvz           !< filter function for v in z direction
135    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: bwy           !< filter function for w in y direction
136    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: bwz           !< filter function for w in z direction
137    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: fu            !< velocity seed for u
138    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: fuo           !< velocity seed for u with new random number
139    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: fv            !< velocity seed for v
140    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: fvo           !< velocity seed for v with new random number
141    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: fw            !< velocity seed for w
142    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: fwo           !< velocity seed for w with new random number
143
144
145!
146!-- PALM interfaces:
147!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
148    INTERFACE stg_check_parameters
149       MODULE PROCEDURE stg_check_parameters
150    END INTERFACE stg_check_parameters
151
152!
153!-- Calculate filter functions
154    INTERFACE stg_filter_func
155       MODULE PROCEDURE stg_filter_func
156    END INTERFACE stg_filter_func
157
158!
159!-- Generate velocity seeds
160    INTERFACE stg_generate_seed_yz
161       MODULE PROCEDURE stg_generate_seed_yz
162    END INTERFACE stg_generate_seed_yz
163
164!
165!-- Output of information to the header file
166    INTERFACE stg_header
167       MODULE PROCEDURE stg_header
168    END INTERFACE stg_header
169
170!
171!-- Initialization actions
172    INTERFACE stg_init
173       MODULE PROCEDURE stg_init
174    END INTERFACE stg_init
175
176!
177!-- Main procedure of synth. turb. gen.
178    INTERFACE stg_main
179       MODULE PROCEDURE stg_main
180    END INTERFACE stg_main
181
182!
183!-- Reading of NAMELIST parameters
184    INTERFACE stg_parin
185       MODULE PROCEDURE stg_parin
186    END INTERFACE stg_parin
187
188!
189!-- Skipping of parameters for restart runs
190    INTERFACE stg_skip_var_list
191       MODULE PROCEDURE stg_skip_var_list
192    END INTERFACE stg_skip_var_list
193
194!
195!-- Reading of parameters for restart runs
196    INTERFACE stg_read_restart_data
197       MODULE PROCEDURE stg_read_restart_data
198    END INTERFACE stg_read_restart_data
199
200!
201!-- Writing of binary output for restart runs
202    INTERFACE stg_write_restart_data
203       MODULE PROCEDURE stg_write_restart_data
204    END INTERFACE stg_write_restart_data
205
206    SAVE
207
208    PRIVATE
209
210!
211!-- Public interfaces
212    PUBLIC  stg_check_parameters, stg_header, stg_init, stg_main, stg_parin,   &
213            stg_write_restart_data, stg_skip_var_list
214
215!
216!-- Public variables
217    PUBLIC  use_synthetic_turbulence_generator
218
219
220 CONTAINS
221
222
223!------------------------------------------------------------------------------!
224! Description:
225! ------------
226!> Check parameters routine for synthetic turbulence generator
227!------------------------------------------------------------------------------!
228 SUBROUTINE stg_check_parameters
229
230
231    USE control_parameters,                                                    &
232        ONLY:  bc_lr, bc_ns, turbulent_inflow
233
234
235    IMPLICIT NONE
236
237    IF ( use_synthetic_turbulence_generator )  THEN
238
239       IF ( INDEX( initializing_actions, 'set_constant_profiles' ) == 0  .AND. &
240            INDEX( initializing_actions, 'read_restart_data' ) == 0 )  THEN
241          message_string = 'Using synthetic turbulence generator ' //          &
242                           'requires &initializing_actions = '            //   &
243                           '"set_constant_profiles" or "read_restart_data"'
244          CALL message( 'stg_check_parameters', 'PA0015', 1, 2, 0, 6, 0 )
245       ENDIF
246
247       IF ( bc_lr /= 'dirichlet/radiation' )  THEN
248          message_string = 'Using synthetic turbulence generator ' //          &
249                           'requires &bc_lr = "dirichlet/radiation"'
250          CALL message( 'stg_check_parameters', 'PA0035', 1, 2, 0, 6, 0 )
251       ENDIF
252       IF ( bc_ns /= 'cyclic' )  THEN
253          message_string = 'Using synthetic turbulence generator ' //          &
254                           'requires &bc_ns = "cyclic"'
255          CALL message( 'stg_check_parameters', 'PA0037', 1, 2, 0, 6, 0 )
256       ENDIF
257       IF ( turbulent_inflow )  THEN
258          message_string = 'Using synthetic turbulence generator ' //          &
259                           'in combination &with turbulent_inflow = .T. ' //   &
260                           'is not allowed'
261          CALL message( 'stg_check_parameters', 'PA0039', 1, 2, 0, 6, 0 )
262       ENDIF
263
264    ENDIF
265
266 END SUBROUTINE stg_check_parameters
267
268
269!------------------------------------------------------------------------------!
270! Description:
271! ------------
272!> Header output for synthetic turbulence generator
273!------------------------------------------------------------------------------!
274 SUBROUTINE stg_header ( io )
275
276
277    IMPLICIT NONE
278
279    INTEGER(iwp), INTENT(IN) ::  io   !< Unit of the output file
280
281!
282!-- Write synthetic turbulence generator Header
283    WRITE( io, 1 )
284    IF ( use_synthetic_turbulence_generator )  THEN
285       WRITE( io, 2 )
286    ELSE
287       WRITE( io, 3 )
288    ENDIF
289
2901   FORMAT (//' Synthetic turbulence generator information:'/                  &
291              ' ------------------------------------------'/)
2922   FORMAT ('    synthetic turbulence generator switched on')
2933   FORMAT ('    synthetic turbulence generator switched off')
294
295 END SUBROUTINE stg_header
296
297
298!------------------------------------------------------------------------------!
299! Description:
300! ------------
301!> Initialization of the synthetic turbulence generator
302!------------------------------------------------------------------------------!
303 SUBROUTINE stg_init
304
305
306    USE arrays_3d,                                                             &
307        ONLY:  u_init, v_init
308
309    USE control_parameters,                                                    &
310        ONLY:  coupling_char, dz, e_init
311
312    USE grid_variables,                                                        &
313        ONLY:  ddy
314
315
316    IMPLICIT NONE
317
318#if defined( __parallel )
319    INTEGER(KIND=MPI_ADDRESS_KIND) :: extent !< extent of new MPI type
320    INTEGER(KIND=MPI_ADDRESS_KIND) :: tob=0  !< dummy variable
321#endif
322
323    INTEGER(iwp) :: j                        !> loop index
324    INTEGER(iwp) :: k                        !< index
325    INTEGER(iwp) :: newtype                  !< dummy MPI type
326    INTEGER(iwp) :: realsize                 !< size of REAL variables
327    INTEGER(iwp) :: nseed                    !< dimension of random number seed
328    INTEGER(iwp) :: startseed = 1234567890   !< start seed for random number generator
329
330!
331!-- Dummy variables used for reading profiles
332    REAL(wp) :: d1      !< u profile
333    REAL(wp) :: d2      !< v profile
334    REAL(wp) :: d3      !< w profile
335    REAL(wp) :: d5      !< e profile
336    REAL(wp) :: d11     !< vertical interpolation for a11
337    REAL(wp) :: d21     !< vertical interpolation for a21
338    REAL(wp) :: d22     !< vertical interpolation for a22
339    REAL(wp) :: luy     !< length scale for u in y direction
340    REAL(wp) :: luz     !< length scale for u in z direction
341    REAL(wp) :: lvy     !< length scale for v in y direction
342    REAL(wp) :: lvz     !< length scale for v in z direction
343    REAL(wp) :: lwy     !< length scale for w in y direction
344    REAL(wp) :: lwz     !< length scale for w in z direction
345    REAL(wp) :: zz      !< height
346
347    REAL(wp),DIMENSION(nzb:nzt+1) :: r11  !< Reynolds parameter
348    REAL(wp),DIMENSION(nzb:nzt+1) :: r21  !< Reynolds parameter
349    REAL(wp),DIMENSION(nzb:nzt+1) :: r22  !< Reynolds parameter
350    REAL(wp),DIMENSION(nzb:nzt+1) :: r31  !< Reynolds parameter
351    REAL(wp),DIMENSION(nzb:nzt+1) :: r32  !< Reynolds parameter
352    REAL(wp),DIMENSION(nzb:nzt+1) :: r33  !< Reynolds parameter
353
354
355#if defined( __parallel )
356    CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
357#endif
358
359    CALL  cpu_log( log_point(57), 'synthetic_turbulence_gen', 'start' )
360
361    IF ( .NOT. ALLOCATED( mean_inflow_profiles ) )                             &
362       ALLOCATE( mean_inflow_profiles(nzb:nzt+1,5) )
363
364    ALLOCATE ( a11(nzb:nzt+1), a21(nzb:nzt+1), a22(nzb:nzt+1),                 &
365               a31(nzb:nzt+1), a32(nzb:nzt+1), a33(nzb:nzt+1),                 &
366               nuy(nzb:nzt+1), nuz(nzb:nzt+1), nvy(nzb:nzt+1),                 &
367               nvz(nzb:nzt+1), nwy(nzb:nzt+1), nwz(nzb:nzt+1),                 &
368               tu(nzb:nzt+1),  tv(nzb:nzt+1),  tw(nzb:nzt+1)   )
369
370#if defined( __parallel )
371!
372!-- Define MPI type used in stg_generate_seed_yz to gather vertical splitted
373!-- velocity seeds
374    CALL MPI_TYPE_SIZE( MPI_REAL, realsize, ierr )
375    extent = 1 * realsize
376
377    ! stg_type_yz: yz-slice with vertical bounds nzb:nzt+1
378    CALL MPI_TYPE_CREATE_SUBARRAY( 2, [nzt-nzb+2,nyng-nysg+1],                 &
379            [1,nyng-nysg+1], [0,0], MPI_ORDER_FORTRAN, MPI_REAL, newtype, ierr )
380    CALL MPI_TYPE_CREATE_RESIZED( newtype, tob, extent, stg_type_yz, ierr )
381    CALL MPI_TYPE_COMMIT( stg_type_yz, ierr )
382    CALL MPI_TYPE_FREE( newtype, ierr )
383
384    ! stg_type_yz_small: yz-slice with vertical bounds nzb_x:nzt_x+1
385    CALL MPI_TYPE_CREATE_SUBARRAY( 2, [nzt_x-nzb_x+2,nyng-nysg+1],             &
386            [1,nyng-nysg+1], [0,0], MPI_ORDER_FORTRAN, MPI_REAL, newtype, ierr )
387    CALL MPI_TYPE_CREATE_RESIZED( newtype, tob, extent, stg_type_yz_small, ierr )
388    CALL MPI_TYPE_COMMIT( stg_type_yz_small, ierr )
389    CALL MPI_TYPE_FREE( newtype, ierr )
390
391    ! receive count and displacement for MPI_GATHERV in stg_generate_seed_yz
392    ALLOCATE( recv_count(pdims(1)), displs(pdims(1)) )
393
394    recv_count           = nzt_x-nzb_x + 1
395    recv_count(pdims(1)) = recv_count(pdims(1)) + 1
396
397    DO  j = 1, pdims(1)
398       displs(j) = 0 + (nzt_x-nzb_x+1) * (j-1)
399    ENDDO
400#endif
401
402!
403!-- Define seed of random number
404    CALL RANDOM_SEED()
405    CALL RANDOM_SEED( size=nseed )
406    ALLOCATE( seed(1:nseed) )
407    DO  j = 1, nseed
408       seed(j) = startseed + j
409    ENDDO
410    CALL RANDOM_SEED(put=seed)
411
412!
413!-- Read inflow profile
414!-- Height levels of profiles in input profile is as follows:
415!-- zu: luy, luz, tu, lvy, lvz, tv, r11, r21, r22, d1, d2, d5
416!-- zw: lwy, lwz, tw, r31, r32, r33, d3
417!-- WARNING: zz is not used at the moment
418    OPEN( 90, FILE='STG_PROFILES'//TRIM( coupling_char ), STATUS='OLD',        &
419                   FORM='FORMATTED')
420
421    ! Skip header
422    READ( 90, * )
423
424    DO  k = nzb, nzt+1
425       READ( 90, * ) zz, luy, luz, tu(k), lvy, lvz, tv(k), lwy, lwz, tw(k),    &
426                     r11(k), r21(k), r22(k), r31(k), r32(k), r33(k),           &
427                     d1, d2, d3, d5
428
429!
430!--    Convert length scales from meter to number of grid points
431       nuy(k) = INT( luy * ddy )
432       nuz(k) = INT( luz / dz  )
433       nvy(k) = INT( lvy * ddy )
434       nvz(k) = INT( lvz / dz  )
435       nwy(k) = INT( lwy * ddy )
436       nwz(k) = INT( lwz / dz  )
437
438!
439!--    Save Mean inflow profiles
440       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
441          mean_inflow_profiles(k,1) = d1
442          mean_inflow_profiles(k,2) = d2
443         !  mean_inflow_profiles(k,4) = d4
444          mean_inflow_profiles(k,5) = d5
445       ENDIF
446    ENDDO
447
448    CLOSE( 90 )
449
450!
451!--    Assign initial profiles
452    u_init = mean_inflow_profiles(:,1)
453    v_init = mean_inflow_profiles(:,2)
454   !  pt_init = mean_inflow_profiles(:,4)
455    e_init = MAXVAL( mean_inflow_profiles(:,5) )
456
457!
458!-- Calculate coefficient matrix from Reynolds stress tensor (Lund rotation)
459    DO  k = nzb, nzt+1
460       IF ( r11(k) > 0.0_wp )  THEN
461          a11(k) = SQRT( r11(k) )
462          a21(k) = r21(k) / a11(k)
463       ELSE
464          a11(k) = 0.0_wp
465          a21(k) = 0.0_wp
466       ENDIF
467
468       a22(k) = r22(k) - a21(k)**2
469       IF ( a22(k) > 0.0_wp )  THEN
470          a22(k) = SQRT( a22(k) )
471          a32(k) = ( r32(k) - a21(k) * a31(k) ) / a22(k)
472       ELSE
473          a22(k) = 0.0_wp
474          a32(k) = 0.0_wp
475       ENDIF
476
477!
478!--    a31, a32, a33 must be calculated with interpolated a11, a21, a22 (d11,
479!--    d21, d22) because of different vertical grid
480       IF ( k .le. nzt )  THEN
481          d11 = 0.5_wp * ( r11(k) + r11(k+1) )
482          IF ( d11 > 0.0_wp )  THEN
483             d11 = SQRT( d11 )
484             d21 = ( 0.5_wp * ( r21(k) + r21(k+1) ) ) / d11
485             a31(k) = r31(k) / d11
486          ELSE
487             d21 = 0.0_wp
488             a31(k) = 0.0_wp
489          ENDIF
490
491          d22 = 0.5_wp * ( r22(k) + r22(k+1) ) - d21 ** 2
492          IF ( d22 > 0.0_wp )  THEN
493             a32(k) = ( r32(k) - d21 * a31(k) ) / SQRT( d22 )
494          ELSE
495             a32(k) = 0.0_wp
496          ENDIF
497
498          a33(k) = r33(k) - a31(k) ** 2 - a32(k) ** 2
499          IF ( a33(k) > 0.0_wp )  THEN
500             a33(k) = SQRT( a33(k) )
501          ELSE
502             a33(k) = 0.0_wp
503          ENDIF
504       ELSE
505          a31(k) = a31(k-1)
506          a32(k) = a32(k-1)
507          a33(k) = a33(k-1)
508       ENDIF
509
510    ENDDO
511
512!
513!-- Define the size of the filter functions and allocate them.
514    merg = 0
515
516    ! arrays must be large enough to cover the largest length scale
517    DO  k = nzb, nzt+1
518       j = MAX( ABS(nuy(k)), ABS(nuz(k)), &
519                ABS(nvy(k)), ABS(nvz(k)), &
520                ABS(nwy(k)), ABS(nwz(k))  )
521       IF ( j > merg )  merg = j
522    ENDDO
523
524    merg  = 2 * merg
525    mergp = merg + nbgp
526
527    ALLOCATE ( buy(-merg:merg,nzb:nzt+1), buz(-merg:merg,nzb:nzt+1), &
528               bvy(-merg:merg,nzb:nzt+1), bvz(-merg:merg,nzb:nzt+1), &
529               bwy(-merg:merg,nzb:nzt+1), bwz(-merg:merg,nzb:nzt+1)  )
530
531!
532!-- Allocate velocity seeds
533    ALLOCATE ( fu( nzb:nzt+1,nysg:nyng), fuo(nzb:nzt+1,nysg:nyng), &
534               fv( nzb:nzt+1,nysg:nyng), fvo(nzb:nzt+1,nysg:nyng), &
535               fw( nzb:nzt+1,nysg:nyng), fwo(nzb:nzt+1,nysg:nyng)  )
536
537    fu  = 0._wp
538    fuo = 0._wp
539    fv  = 0._wp
540    fvo = 0._wp
541    fw  = 0._wp
542    fwo = 0._wp
543
544!
545!-- Create filter functions
546    CALL stg_filter_func( nuy, buy ) !filter uy
547    CALL stg_filter_func( nuz, buz ) !filter uz
548    CALL stg_filter_func( nvy, bvy ) !filter vy
549    CALL stg_filter_func( nvz, bvz ) !filter vz
550    CALL stg_filter_func( nwy, bwy ) !filter wy
551    CALL stg_filter_func( nwz, bwz ) !filter wz
552
553#if defined( __parallel )
554    CALL MPI_BARRIER( comm2d, ierr )
555#endif
556
557!
558!--    In case of restart, calculate velocity seeds fu, fv, fw from former
559!      time step.
560!      Bug: fu, fv, fw are different in those heights where a11, a22, a33
561!           are 0 compared to the prerun. This is mostly for k=nzt+1.
562    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' )  THEN
563       IF ( myidx == id_inflow )  THEN
564          DO  j = nysg, nyng
565             DO  k = nzb, nzt+1
566
567                IF  ( a11(k) .NE. 0._wp ) THEN
568                fu(k,j) = ( u(k,j,-1) / mc_factor -                    &
569                            mean_inflow_profiles(k,1) ) / a11(k)
570                ELSE
571                   fu(k,j) = 0._wp
572                ENDIF
573
574                IF  ( a22(k) .NE. 0._wp ) THEN
575                fv(k,j) = ( v(k,j,-1) / mc_factor - a21(k) * fu(k,j) - &
576                            mean_inflow_profiles(k,2) ) / a22(k)
577                ELSE
578                   fv(k,j) = 0._wp
579                ENDIF
580
581                IF  ( a33(k) .NE. 0._wp ) THEN
582                fw(k,j) = ( w(k,j,-1) / mc_factor - a31(k) * fu(k,j) - &
583                            a32(k) * fv(k,j) ) / a33(k)
584                ELSE
585                   fw = 0._wp
586                ENDIF
587
588             ENDDO
589          ENDDO
590       ENDIF
591    ENDIF
592
593    CALL  cpu_log( log_point(57), 'synthetic_turbulence_gen', 'stop' )
594
595 END SUBROUTINE stg_init
596
597
598!------------------------------------------------------------------------------!
599! Description:
600! ------------
601!> Calculate filter function bxx from length scale nxx following Eg.9 and 10
602!> (Xie and Castro, 2008)
603!------------------------------------------------------------------------------!
604 SUBROUTINE stg_filter_func( nxx, bxx )
605
606
607    IMPLICIT NONE
608
609    INTEGER(iwp) :: k         !< loop index
610    INTEGER(iwp) :: n_k       !< length scale nXX in height k
611    INTEGER(iwp) :: n_k2      !< n_k * 2
612    INTEGER(iwp) :: nf        !< index for length scales
613
614    REAL(wp) :: bdenom        !< denominator for filter functions bXX
615    REAL(wp) :: qsi = 1.0_wp  !< minimization factor
616
617    INTEGER(iwp), DIMENSION(:) :: nxx(nzb:nzt+1)           !< length scale (in gp)
618
619    REAL(wp), DIMENSION(:,:) :: bxx(-merg:merg,nzb:nzt+1)  !< filter function
620
621
622    bxx = 0.0_wp
623
624    DO  k = nzb, nzt+1
625       bdenom = 0.0_wp
626       n_k    = nxx(k)
627       IF ( n_k /= 0 )  THEN
628          n_k2 = n_k * 2
629
630!
631!--       ( Eq.10 )^2
632          DO  nf = -n_k2, n_k2
633             bdenom = bdenom + EXP( -qsi * pi * ABS(nf) / n_k )**2
634          ENDDO
635
636!
637!--       ( Eq.9 )
638          bdenom = SQRT( bdenom )
639          DO  nf = -n_k2, n_k2
640             bxx(nf,k) = EXP( -qsi * pi * ABS(nf) / n_k ) / bdenom
641          ENDDO
642       ENDIF
643    ENDDO
644
645END SUBROUTINE stg_filter_func
646
647
648!------------------------------------------------------------------------------!
649! Description:
650! ------------
651!> Parin for &stg_par for synthetic turbulence generator
652!------------------------------------------------------------------------------!
653 SUBROUTINE stg_parin
654
655
656    IMPLICIT NONE
657
658    CHARACTER (LEN=80) ::  line   !< dummy string that contains the current line of the parameter file
659
660
661    NAMELIST /stg_par/   use_synthetic_turbulence_generator
662
663    line = ' '
664
665!
666!-- Try to find stg package
667    REWIND ( 11 )
668    line = ' '
669    DO WHILE ( INDEX( line, '&stg_par' ) == 0 )
670       READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
671    ENDDO
672    BACKSPACE ( 11 )
673
674!
675!-- Read namelist
676    READ ( 11, stg_par )
677
678!
679!-- Set flag that indicates that the synthetic turbulence generator is switched
680!-- on
681    synthetic_turbulence_generator = .TRUE.
682
683    IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) THEN
684       CALL stg_read_restart_data
685    ENDIF
686
687 10 CONTINUE
688
689 END SUBROUTINE stg_parin
690
691
692!------------------------------------------------------------------------------!
693! Description:
694! ------------
695!> Skipping the stg variables from restart-file (binary format).
696!------------------------------------------------------------------------------!
697   SUBROUTINE stg_skip_var_list
698       
699      IMPLICIT NONE
700           
701      CHARACTER (LEN=1)  ::  cdum
702      CHARACTER (LEN=30) ::  variable_chr
703           
704      READ ( 13 )  variable_chr
705
706      DO  WHILE ( TRIM( variable_chr ) /= '*** end stg module ***' )
707
708         READ ( 13 )  cdum
709         READ ( 13 )  variable_chr
710
711      ENDDO   
712           
713   END SUBROUTINE stg_skip_var_list
714
715
716!------------------------------------------------------------------------------!
717! Description:
718! ------------
719!> This routine reads the respective restart data.
720!------------------------------------------------------------------------------!
721 SUBROUTINE stg_read_restart_data
722
723
724    IMPLICIT NONE
725
726    CHARACTER (LEN=30) ::  variable_chr  !< dummy variable to read string
727
728
729    READ ( 13 )  variable_chr
730    DO  WHILE ( TRIM( variable_chr ) /= '*** end stg module ***' )
731
732       SELECT CASE ( TRIM( variable_chr ) )
733
734          CASE ( 'use_synthetic_turbulence_generator ' )
735             READ ( 13 )  use_synthetic_turbulence_generator
736          CASE ( 'mc_factor' )
737             READ ( 13 )  mc_factor
738
739       END SELECT
740
741       READ ( 13 )  variable_chr
742
743    ENDDO
744
745 END SUBROUTINE stg_read_restart_data
746
747
748!------------------------------------------------------------------------------!
749! Description:
750! ------------
751!> This routine writes the respective restart data.
752!------------------------------------------------------------------------------!
753 SUBROUTINE stg_write_restart_data
754
755
756    IMPLICIT NONE
757
758    WRITE ( 14 )  'use_synthetic_turbulence_generator '
759    WRITE ( 14 )  use_synthetic_turbulence_generator
760    WRITE ( 14 )  'mc_factor           '
761    WRITE ( 14 )  mc_factor
762
763    WRITE ( 14 )  '*** end stg module ***            '
764
765END SUBROUTINE stg_write_restart_data
766
767
768!------------------------------------------------------------------------------!
769! Description:
770! ------------
771!> Create turbulent inflow fields for u, v, w with prescribed length scales and
772!> Reynolds stress tensor after a method of Xie and Castro (2008), modified
773!> following suggestions of Kim et al. (2013), and using a Lund rotation
774!> (Lund, 1998).
775!------------------------------------------------------------------------------!
776 SUBROUTINE stg_main
777
778
779    USE arrays_3d,                                                             &
780        ONLY:  dzw
781
782    USE control_parameters,                                                    &
783        ONLY:  dt_3d, intermediate_timestep_count, simulated_time,             &
784               volume_flow_initial
785
786    USE indices,                                                               &
787        ONLY:  nyn, nys
788
789    USE statistics,                                                            &
790        ONLY:  weight_substep
791
792
793    IMPLICIT NONE
794
795    INTEGER(iwp) :: j           !< loop index in y-direction
796    INTEGER(iwp) :: k           !< loop index in z-direction
797
798    REAL(wp) :: dt_stg          !< wheighted subtimestep
799    REAL(wp) :: mc_factor_l     !< local mass flux correction factor
800
801    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng,5,nbgp) :: inflow_dist !< disturbance for inflow profiles
802
803
804    CALL  cpu_log( log_point(57), 'synthetic_turbulence_gen', 'start' )
805
806!
807!-- Calculate time step which is needed for filter functions
808    dt_stg = dt_3d * weight_substep(intermediate_timestep_count)
809
810!
811!-- Initial value of fu, fv, fw
812    IF ( simulated_time == 0.0_wp .AND. .NOT. velocity_seed_initialized )  THEN
813       CALL stg_generate_seed_yz( nuy, nuz, buy, buz, fu )
814       CALL stg_generate_seed_yz( nvy, nvz, bvy, bvz, fv )
815       CALL stg_generate_seed_yz( nwy, nwz, bwy, bwz, fw )
816       velocity_seed_initialized = .TRUE.
817    ENDIF
818!
819!-- New set of fu, fv, fw
820    CALL stg_generate_seed_yz( nuy, nuz, buy, buz, fuo )
821    CALL stg_generate_seed_yz( nvy, nvz, bvy, bvz, fvo )
822    CALL stg_generate_seed_yz( nwy, nwz, bwy, bwz, fwo )
823
824    IF ( myidx == id_inflow )  THEN
825
826       DO  j = nysg, nyng
827          DO  k = nzb, nzt + 1
828!
829!--          Update fu, fv, fw following Eq. 14 of Xie and Castro (2008)
830             IF ( tu(k) == 0.0_wp )  THEN
831                fu(k,j) = fuo(k,j)
832             ELSE
833                fu(k,j) = fu(k,j) * EXP( -pi * dt_stg * 0.5_wp / tu(k) ) +     &
834                         fuo(k,j) * SQRT( 1.0_wp - EXP( -pi * dt_stg / tu(k) ) )
835             ENDIF
836
837             IF ( tv(k) == 0.0_wp )  THEN
838                fv(k,j) = fvo(k,j)
839             ELSE
840                fv(k,j) = fv(k,j) * EXP( -pi * dt_stg * 0.5_wp / tv(k) ) +     &
841                         fvo(k,j) * SQRT( 1.0_wp - EXP( -pi * dt_stg / tv(k) ) )
842             ENDIF
843
844             IF ( tw(k) == 0.0_wp )  THEN
845                fw(k,j) = fwo(k,j)
846             ELSE
847                fw(k,j) = fw(k,j) * EXP( -pi * dt_stg * 0.5_wp / tw(k) ) +     &
848                         fwo(k,j) * SQRT( 1.0_wp - EXP( -pi * dt_stg / tw(k) ) )
849             ENDIF
850!
851!--          Lund rotation following Eq. 17 in Xie and Castro (2008).
852!--          Additional factors are added to improve the variance of v and w
853             IF( k == 0 )  THEN
854                inflow_dist(k,j,1,1) = 0.0_wp
855                inflow_dist(k,j,2,1) = 0.0_wp
856                inflow_dist(k,j,3,1) = 0.0_wp
857                inflow_dist(k,j,4,1) = 0.0_wp
858                inflow_dist(k,j,5,1) = 0.0_wp
859             ELSE
860                inflow_dist(k,j,1,1) = a11(k) * fu(k,j)
861                !experimental test of 1.2
862                inflow_dist(k,j,2,1) = ( SQRT( a22(k) / MAXVAL(a22) )          &
863                                         * 1.2_wp )                            &
864                                       * (   a21(k) * fu(k,j)                  &
865                                           + a22(k) * fv(k,j) )
866                inflow_dist(k,j,3,1) = ( SQRT(a33(k) / MAXVAL(a33) )           &
867                                         * 1.3_wp )                            &
868                                       * (   a31(k) * fu(k,j)                  &
869                                           + a32(k) * fv(k,j)                  &
870                                           + a33(k) * fw(k,j) )
871                ! Calculation for pt and e not yet implemented
872                inflow_dist(k,j,4,1) = 0.0_wp
873                inflow_dist(k,j,5,1) = 0.0_wp
874             ENDIF
875
876          ENDDO
877       ENDDO
878
879!
880!--    Mass flux correction following Kim et al. (2013)
881!--    This correction factor insures that the mass flux is preserved at the
882!--    inflow boundary
883       mc_factor_l = 0.0_wp
884       mc_factor   = 0.0_wp
885       DO  j = nys, nyn
886          DO  k = nzb+1, nzt
887             mc_factor_l = mc_factor_l + dzw(k)  *                             &
888                           ( mean_inflow_profiles(k,1) + inflow_dist(k,j,1,1) )
889          ENDDO
890       ENDDO
891
892#if defined( __parallel )
893       CALL MPI_ALLREDUCE( mc_factor_l, mc_factor,  &
894                           1, MPI_REAL, MPI_SUM, comm1dy, ierr )
895#else
896       mc_factor = mc_factor_l
897#endif
898
899       mc_factor = volume_flow_initial(1) / mc_factor
900
901!
902!--    Add disturbance at the inflow
903       DO  j = nysg, nyng
904          DO  k = nzb, nzt+1
905              u(k,j,-nbgp+1:0) = ( mean_inflow_profiles(k,1) +                 &
906                                   inflow_dist(k,j,1,1)      ) * mc_factor
907              v(k,j,-nbgp:-1)  = ( mean_inflow_profiles(k,2) +                 &
908                                   inflow_dist(k,j,2,1)      ) * mc_factor
909              w(k,j,-nbgp:-1)  =   inflow_dist(k,j,3,1)        * mc_factor
910          ENDDO
911       ENDDO
912
913    ENDIF
914
915    CALL  cpu_log( log_point(57), 'synthetic_turbulence_gen', 'stop' )
916
917 END SUBROUTINE stg_main
918
919
920!------------------------------------------------------------------------------!
921! Description:
922! ------------
923!> Generate a set of random number rand_it wich is equal on each PE
924!> and calculate the velocity seed f_n.
925!> f_n is splitted in vertical direction by the number of PEs in x-direction and
926!> and each PE calculates a vertical subsection of f_n. At the the end, all
927!> parts are collected to form the full array.
928!------------------------------------------------------------------------------!
929 SUBROUTINE stg_generate_seed_yz( n_y, n_z, b_y, b_z, f_n )
930
931
932    USE indices,                                                               &
933        ONLY: ny
934
935
936    IMPLICIT NONE
937
938    INTEGER(iwp) :: j           !< loop index in y-direction
939    INTEGER(iwp) :: jj          !< loop index in y-direction
940    INTEGER(iwp) :: k           !< loop index in z-direction
941    INTEGER(iwp) :: kk          !< loop index in z-direction
942    INTEGER(iwp) :: send_count  !< send count for MPI_GATHERV
943
944    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1) :: n_y    !< length scale in y-direction
945    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1) :: n_z    !< length scale in z-direction
946    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1) :: n_y2   !< n_y*2
947    INTEGER(iwp), DIMENSION(nzb:nzt+1) :: n_z2   !< n_z*2
948
949    REAL(wp) :: nyz_inv         !< inverse of number of grid points in yz-slice
950    REAL(wp) :: rand_av         !< average of random number
951    REAL(wp) :: rand_sigma_inv  !< inverse of stdev of random number
952
953    REAL(wp), DIMENSION(-merg:merg,nzb:nzt+1)    :: b_y     !< filter func in y-dir
954    REAL(wp), DIMENSION(-merg:merg,nzb:nzt+1)    :: b_z     !< filter func in z-dir
955    REAL(wp), DIMENSION(nzb_x:nzt_x+1,nysg:nyng) :: f_n_l   !<  local velocity seed
956    REAL(wp), DIMENSION(nzb:nzt+1,nysg:nyng)     :: f_n     !<  velocity seed
957    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE        :: rand_it !<  random number
958
959
960!
961!-- Generate random numbers using a seed generated in stg_init.
962!-- The set of random numbers are modified to have an average of 0 and
963!-- unit variance.
964    ALLOCATE( rand_it(nzb-mergp:nzt+1+mergp,-mergp:ny+mergp) )
965
966    rand_av        = 0.0_wp
967    rand_sigma_inv = 0.0_wp
968    nyz_inv        = 1.0_wp / REAL( ( nzt+1 - nzb+1 ) * ( ny+1 ), KIND=wp )
969
970    DO  j = 0, ny
971       DO  k = nzb, nzt+1
972          CALL RANDOM_NUMBER( rand_it(k,j) )
973          rand_av = rand_av + rand_it(k,j)
974       ENDDO
975    ENDDO
976
977    rand_av = rand_av * nyz_inv
978
979    DO  j = 0, ny
980       DO  k = nzb, nzt+1
981          rand_it(k,j)   = rand_it(k,j) - rand_av
982          rand_sigma_inv = rand_sigma_inv + rand_it(k,j) ** 2
983       ENDDO
984    ENDDO
985
986    rand_sigma_inv = 1.0_wp / SQRT(rand_sigma_inv * nyz_inv)
987
988    DO  j = 0, ny
989       DO  k = nzb, nzt+1
990          rand_it(k,j) = rand_it(k,j) * rand_sigma_inv
991       ENDDO
992    ENDDO
993
994!
995!-- Periodic fill of random number in space
996    DO  j = 0, ny
997       DO  k = 1, mergp
998          rand_it(nzb  -k,j) = rand_it(nzt+2-k,j)    ! bottom margin
999          rand_it(nzt+1+k,j) = rand_it(nzb+k-1,j)    ! top margin
1000       ENDDO
1001    ENDDO
1002    DO  j = 1, mergp
1003       DO  k = nzb-mergp, nzt+1+mergp
1004          rand_it(k,  -j) = rand_it(k,ny-j+1)        ! south margin
1005          rand_it(k,ny+j) = rand_it(k,   j-1)        ! north margin
1006       ENDDO
1007    ENDDO
1008
1009!
1010!-- Generate velocity seed following Eq.6 of Xie and Castro (2008)
1011    n_y2 = n_y * 2
1012    n_z2 = n_z * 2
1013    f_n_l  = 0.0_wp
1014
1015    DO  j = nysg, nyng
1016       DO  k = nzb_x, nzt_x+1
1017          DO  jj = -n_y2(k), n_y2(k)
1018             DO  kk = -n_z2(k), n_z2(k)
1019                f_n_l(k,j) = f_n_l(k,j)                                        &
1020                           + b_y(jj,k) * b_z(kk,k) * rand_it(k+kk,j+jj)
1021             ENDDO
1022          ENDDO
1023       ENDDO
1024    ENDDO
1025
1026    DEALLOCATE( rand_it )
1027
1028!
1029!-- Gather velocity seeds of full subdomain
1030    send_count = nzt_x - nzb_x + 1
1031    IF ( nzt_x == nzt )  send_count = send_count + 1
1032
1033#if defined( __parallel )
1034    CALL MPI_GATHERV( f_n_l(nzb_x,nysg), send_count, stg_type_yz_small,        &
1035                      f_n(nzb+1,nysg), recv_count, displs, stg_type_yz,        &
1036                      id_inflow, comm1dx, ierr )
1037#else
1038    f_n(nzb+1:nzt+1,nysg:nyng) = f_n_l(nzb_x:nzt_x+1,nysg:nyng)
1039#endif
1040
1041
1042 END SUBROUTINE stg_generate_seed_yz
1043
1044 END MODULE synthetic_turbulence_generator_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.