source: palm/trunk/SOURCE/wind_turbine_model_mod.f90 @ 2563

Last change on this file since 2563 was 2563, checked in by Giersch, 4 years ago

Restart runs with the usage of the wind turbine model are possible now. Further small at reading/writing restart data

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 114.7 KB
Line 
1!> @file wind_turbine_model_mod.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
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 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 2009-2017 Carl von Ossietzky Universitaet Oldenburg
18! Copyright 1997-2017 Leibniz Universitaet Hannover
19!------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! -----------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: wind_turbine_model_mod.f90 2563 2017-10-19 15:36:10Z Giersch $
28! Restart runs with wind turbine model are possible now. For this purpose, two
29! new subroutines wtm_write_restart_data and wtm_read_restart_data had to be
30! defined
31!
32! 2553 2017-10-18 08:03:45Z Giersch
33! Bugfix of vertical loop in wtm_tendencies to account for different turbine
34! heights, bugfix of the interpolation of the u-component concerning the
35! vertical index and further small adjustments of the programming style
36!
37! 2410 2017-09-06 08:16:30Z Giersch
38! Revise error message PA0462
39!
40! 2349 2017-08-10 15:44:04Z Giersch
41! Add parameter pitch_rate to namelist and revise/add error messages
42!
43! 2343 2017-08-08 11:28:43Z Giersch
44! Unit correction in Doxygen comments
45!
46! 2323 2017-07-26 12:57:38Z Giersch
47! Change unit number of file WTM_DATA from 201 to 90
48
49! 2322 2017-07-26 08:30:28Z Giersch
50! Bugfix of error message and assign error numbers
51!
52! 2257 2017-06-07 14:07:05Z witha
53! Bugfix: turb_cl_tab and turb_cd_tab were set to zero before being allocated
54!
55! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
56!
57! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
58! Adjustments to new topography concept
59!
60! 2152 2017-02-17 13:27:24Z lvollmer
61! Bugfix in subroutine wtm_read_blade_tables
62! Addition of a tip loss model
63!
64! 2015 2016-09-28 08:45:18Z lvollmer
65! Bugfix of pitch control
66!
67! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
68! Forced header and separation lines into 80 columns
69!
70! 1929 2016-06-09 16:25:25Z suehring
71! Bugfix: added preprocessor directives for parallel and serial mode
72!
73! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
74! Initial revision
75!
76!
77! Description:
78! ------------
79!> This module calculates the effect of wind turbines on the flow fields. The
80!> initial version contains only the advanced actuator disk with rotation method
81!> (ADM-R).
82!> The wind turbines include the tower effect, can be yawed and tilted.
83!> The wind turbine model includes controllers for rotational speed, pitch and
84!> yaw.
85!> Currently some specifications of the NREL 5 MW reference turbine
86!> are hardcoded whereas most input data comes from separate files (currently
87!> external, planned to be included as namelist which will be read in
88!> automatically).
89!>
90!> @todo Revise code according to PALM Coding Standard
91!> @todo Implement ADM and ALM turbine models
92!> @todo Generate header information
93!> @todo Implement further parameter checks and error messages
94!> @todo Revise and add code documentation
95!> @todo Output turbine parameters as timeseries
96!> @todo Include additional output variables
97!> @todo Revise smearing the forces for turbines in yaw
98!> @todo Revise nacelle and tower parameterization
99!> @todo Allow different turbine types in one simulation
100!
101!------------------------------------------------------------------------------!
102 MODULE wind_turbine_model_mod
103
104    USE arrays_3d,                                                             &
105        ONLY:  tend, u, v, w, zu, zw
106
107    USE constants,                                                             &
108        ONLY:  pi
109
110    USE control_parameters,                                                    &
111        ONLY:  dt_3d, dz, message_string, simulated_time, wind_turbine,        & 
112               initializing_actions
113
114    USE cpulog,                                                                &
115        ONLY:  cpu_log, log_point_s
116
117    USE grid_variables,                                                        &
118        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
119
120    USE indices,                                                               &
121        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nz,   &
122               nzb, nzt, wall_flags_0
123
124    USE kinds
125
126    USE pegrid
127
128
129    IMPLICIT NONE
130
131    PRIVATE
132
133!
134!-- Variables specified in the namelist wind_turbine_par
135
136    INTEGER(iwp) ::  nairfoils = 8   !< number of airfoils of the used turbine model (for ADM-R and ALM)
137    INTEGER(iwp) ::  nturbines = 1   !< number of turbines
138
139    LOGICAL ::  pitch_control = .FALSE.   !< switch for use of pitch controller
140    LOGICAL ::  speed_control = .FALSE.   !< switch for use of speed controller
141    LOGICAL ::  yaw_control   = .FALSE.   !< switch for use of yaw controller
142    LOGICAL ::  tl_cor        = .FALSE.    !< switch for use of tip loss correct.
143
144    REAL(wp) ::  segment_length  = 1.0_wp          !< length of the segments, the rotor area is divided into
145                                                   !< (in tangential direction, as factor of MIN(dx,dy,dz))
146    REAL(wp) ::  segment_width   = 0.5_wp          !< width of the segments, the rotor area is divided into
147                                                   !< (in radial direction, as factor of MIN(dx,dy,dz))
148    REAL(wp) ::  time_turbine_on = 0.0_wp          !< time at which turbines are started
149    REAL(wp) ::  tilt            = 0.0_wp          !< vertical tilt of the rotor [degree] ( positive = backwards )
150
151    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  dtow             = 0.0_wp  !< tower diameter [m]
152    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_rot        = 0.9_wp  !< inital or constant rotor speed [rad/s]
153    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  phi_yaw          = 0.0_wp  !< yaw angle [degree] ( clockwise, 0 = facing west )
154    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  pitch_add        = 0.0_wp  !< constant pitch angle
155    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcx        = 9999999.9_wp  !< position of hub in x-direction
156    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcy        = 9999999.9_wp  !< position of hub in y-direction
157    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcz        = 9999999.9_wp  !< position of hub in z-direction
158    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rnac             = 0.0_wp  !< nacelle diameter [m]
159    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rr              = 63.0_wp  !< rotor radius [m]
160    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  turb_cd_nacelle = 0.85_wp  !< drag coefficient for nacelle
161    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  turb_cd_tower    = 1.2_wp  !< drag coefficient for tower
162
163!
164!-- Variables specified in the namelist for speed controller
165!-- Default values are from the NREL 5MW research turbine (Jonkman, 2008)
166
167    REAL(wp) ::  rated_power    = 5296610.0_wp    !< rated turbine power [W]
168    REAL(wp) ::  gear_ratio     = 97.0_wp         !< Gear ratio from rotor to generator
169    REAL(wp) ::  inertia_rot    = 34784179.0_wp   !< Inertia of the rotor [kg*m2]
170    REAL(wp) ::  inertia_gen    = 534.116_wp      !< Inertia of the generator [kg*m2]
171    REAL(wp) ::  gen_eff        = 0.944_wp        !< Electric efficiency of the generator
172    REAL(wp) ::  gear_eff       = 1.0_wp          !< Loss between rotor and generator
173    REAL(wp) ::  air_dens       = 1.225_wp        !< Air density to convert to W [kg/m3]
174    REAL(wp) ::  rated_genspeed = 121.6805_wp     !< Rated generator speed [rad/s]
175    REAL(wp) ::  max_torque_gen = 47402.91_wp     !< Maximum of the generator torque [Nm]
176    REAL(wp) ::  slope2         = 2.332287_wp     !< Slope constant for region 2
177    REAL(wp) ::  min_reg2       = 91.21091_wp     !< Lower generator speed boundary of region 2 [rad/s]
178    REAL(wp) ::  min_reg15      = 70.16224_wp     !< Lower generator speed boundary of region 1.5 [rad/s]
179    REAL(wp) ::  max_trq_rate   = 15000.0_wp      !< Max generator torque increase [Nm/s]
180    REAL(wp) ::  pitch_rate     = 8.0_wp          !< Max pitch rate [degree/s]
181
182
183!
184!-- Variables specified in the namelist for yaw control
185
186    REAL(wp) ::  yaw_speed = 0.005236_wp   !< speed of the yaw actuator [rad/s]
187    REAL(wp) ::  max_miss = 0.08726_wp     !< maximum tolerated yaw missalignment [rad]
188    REAL(wp) ::  min_miss = 0.008726_wp    !< minimum yaw missalignment for which the actuator stops [rad]
189
190!
191!-- Set flag for output files TURBINE_PARAMETERS
192    TYPE file_status
193       LOGICAL ::  opened, opened_before
194    END TYPE file_status
195   
196    TYPE(file_status), DIMENSION(500) :: openfile_turb_mod =                   &
197                                         file_status(.FALSE.,.FALSE.)
198
199!
200!-- Variables for initialization of the turbine model
201
202    INTEGER(iwp) ::  inot         !< turbine loop index (turbine id)
203    INTEGER(iwp) ::  nsegs_max    !< maximum number of segments (all turbines, required for allocation of arrays)
204    INTEGER(iwp) ::  nrings_max   !< maximum number of rings (all turbines, required for allocation of arrays)
205    INTEGER(iwp) ::  ring         !< ring loop index (ring number)
206    INTEGER(iwp) ::  rr_int       !<
207    INTEGER(iwp) ::  upper_end    !<
208
209    INTEGER(iwp), DIMENSION(1) ::  lct   !<
210
211    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  i_hub     !< index belonging to x-position of the turbine
212    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  i_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (x-direction)
213    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  j_hub     !< index belonging to y-position of the turbine
214    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  j_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (y-direction)
215    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_hub     !< index belonging to hub height
216    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (z-direction)
217    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nrings    !< number of rings per turbine
218    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nsegs_total !< total number of segments per turbine
219
220    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  nsegs   !< number of segments per ring and turbine
221
222!
223!-  parameters for the smearing from the rotor to the cartesian grid   
224    REAL(wp) ::  pol_a            !< parameter for the polynomial smearing fct
225    REAL(wp) ::  pol_b            !< parameter for the polynomial smearing fct
226    REAL(wp) ::  delta_t_factor   !<
227    REAL(wp) ::  eps_factor       !< 
228    REAL(wp) ::  eps_min          !<
229    REAL(wp) ::  eps_min2         !<
230    REAL(wp) ::  sqrt_arg         !<
231
232!
233!-- Variables for the calculation of lift and drag coefficients
234    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  ard     !<
235    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  crd     !<
236    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  delta_r !< radial segment length
237    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  lrd     !<
238   
239    REAL(wp) ::  accu_cl_cd_tab = 0.1_wp  !< Accuracy of the interpolation of
240                                          !< the lift and drag coeff [deg]
241
242    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: turb_cd_tab   !< table of the blade drag coefficient
243    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: turb_cl_tab   !< table of the blade lift coefficient
244
245    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  nac_cd_surf  !< 3d field of the tower drag coefficient
246    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  tow_cd_surf  !< 3d field of the nacelle drag coefficient
247
248!
249!-- Variables for the calculation of the forces
250     
251    REAL(wp) ::  cur_r                       !<
252    REAL(wp) ::  phi_rotor                   !<
253    REAL(wp) ::  pre_factor                  !< 
254    REAL(wp) ::  torque_seg                  !<
255    REAL(wp) ::  u_int_l                     !<
256    REAL(wp) ::  u_int_u                     !<
257    REAL(wp) ::  u_rot                       !<
258    REAL(wp) ::  v_int_l                     !<
259    REAL(wp) ::  v_int_u                     !<
260    REAL(wp) ::  w_int_l                     !<
261    REAL(wp) ::  w_int_u                     !<
262!
263!-  Tendencies from the nacelle and tower thrust
264    REAL(wp) ::  tend_nac_x = 0.0_wp  !<
265    REAL(wp) ::  tend_tow_x = 0.0_wp  !<
266    REAL(wp) ::  tend_nac_y = 0.0_wp  !<
267    REAL(wp) ::  tend_tow_y = 0.0_wp  !<
268
269    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  alpha_attack !<
270    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  chord        !<
271    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  phi_rel      !<
272    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  torque_total !<
273    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  thrust_rotor !<
274    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  turb_cl      !<
275    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  turb_cd      !<
276    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vrel         !<
277    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vtheta       !<
278
279    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  rbx, rby, rbz     !< coordinates of the blade elements
280    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  rotx, roty, rotz  !< normal vectors to the rotor coordinates
281
282!
283!-  Fields for the interpolation of velocities on the rotor grid
284    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_int       !<
285    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_int_1_l   !<
286    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_int       !<
287    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_int_1_l   !<
288    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  w_int       !<
289    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  w_int_1_l   !<
290   
291!
292!-  rotor tendencies on the segments
293    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: thrust_seg   !<
294    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: torque_seg_y !<
295    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: torque_seg_z !<   
296
297!
298!-  rotor tendencies on the rings
299    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  thrust_ring       !<
300    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  torque_ring_y     !<
301    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  torque_ring_z     !<
302   
303!
304!-  rotor tendencies on rotor grids for all turbines
305    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  thrust      !<
306    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  torque_y    !<
307    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  torque_z    !<
308
309!
310!-  rotor tendencies on coordinate grid
311    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_x  !<
312    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_y  !<
313    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_z  !<
314!   
315!-  variables for the rotation of the rotor coordinates       
316    REAL(wp), DIMENSION(1:100,1:3,1:3) ::  rot_coord_trans  !< matrix for rotation of rotor coordinates
317   
318    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_rad   !<
319    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_azi   !<
320    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_nor   !<
321    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  re              !<
322    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rea             !<
323    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  ren             !<
324    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rote            !<
325    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rota            !<
326    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rotn            !<
327
328!
329!-- Fixed variables for the speed controller
330
331    LOGICAL  ::  start_up = .TRUE.   !<
332   
333    REAL(wp) ::  Fcorner             !< corner freq for the controller low pass filter
334    REAL(wp) ::  min_reg25           !< min region 2.5
335    REAL(wp) ::  om_rate             !< rotor speed change
336    REAL(wp) ::  slope15             !< slope in region 1.5
337    REAL(wp) ::  slope25             !< slope in region 2.5
338    REAL(wp) ::  trq_rate            !< torque change
339    REAL(wp) ::  vs_sysp             !<
340    REAL(wp) ::  lp_coeff            !< coeff for the controller low pass filter
341
342    REAL(wp), DIMENSION(100) :: omega_rot_l = 0.0_wp !< local rot speed [rad/s]
343
344!
345!-- Fixed variables for the yaw controller
346
347    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  yawdir           !< direction to yaw
348    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  phi_yaw_l        !< local (cpu) yaw angle
349    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wd30_l           !< local (cpu) long running avg of the wd
350    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wd2_l            !< local (cpu) short running avg of the wd
351    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wdir             !< wind direction at hub
352    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  u_inflow         !< wind speed at hub
353    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wdir_l           !<
354    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  u_inflow_l       !<
355    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  wd30             !<
356    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  wd2              !<
357    LOGICAL,  DIMENSION(1:100)            ::  doyaw = .FALSE.  !<
358    INTEGER(iwp)                          ::  WDLON            !<
359    INTEGER(iwp)                          ::  WDSHO            !<
360
361!
362!-- Variables that have to be saved in the binary file for restarts
363    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  pitch_add_old           = 0.0_wp  !< old constant pitch angle
364    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen               = 0.0_wp  !< curr. generator speed
365    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_f             = 0.0_wp  !< filtered generator speed
366    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_old           = 0.0_wp  !< last generator speed
367    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_f_old         = 0.0_wp  !< last filtered generator speed
368    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  torque_gen              = 0.0_wp  !< generator torque
369    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  torque_gen_old          = 0.0_wp  !< last generator torque
370
371
372    SAVE
373
374
375    INTERFACE wtm_parin
376       MODULE PROCEDURE wtm_parin
377    END INTERFACE wtm_parin
378
379    INTERFACE wtm_write_restart_data
380       MODULE PROCEDURE wtm_write_restart_data
381    END INTERFACE wtm_write_restart_data
382
383    INTERFACE wtm_read_restart_data
384       MODULE PROCEDURE wtm_read_restart_data
385    END INTERFACE wtm_read_restart_data
386   
387    INTERFACE wtm_check_parameters
388       MODULE PROCEDURE wtm_check_parameters
389    END INTERFACE wtm_check_parameters
390       
391    INTERFACE wtm_init_arrays
392       MODULE PROCEDURE wtm_init_arrays
393    END INTERFACE wtm_init_arrays
394
395    INTERFACE wtm_init
396       MODULE PROCEDURE wtm_init
397    END INTERFACE wtm_init
398   
399    INTERFACE wtm_read_blade_tables
400       MODULE PROCEDURE wtm_read_blade_tables
401    END INTERFACE wtm_read_blade_tables
402           
403    INTERFACE wtm_forces
404       MODULE PROCEDURE wtm_forces
405    END INTERFACE wtm_forces
406
407    INTERFACE wtm_yawcontrol
408       MODULE PROCEDURE wtm_yawcontrol
409    END INTERFACE wtm_yawcontrol
410   
411    INTERFACE wtm_rotate_rotor
412       MODULE PROCEDURE wtm_rotate_rotor
413    END INTERFACE wtm_rotate_rotor
414   
415    INTERFACE wtm_speed_control
416       MODULE PROCEDURE wtm_init_speed_control
417       MODULE PROCEDURE wtm_speed_control
418    END INTERFACE wtm_speed_control
419
420    INTERFACE wtm_tendencies
421       MODULE PROCEDURE wtm_tendencies
422       MODULE PROCEDURE wtm_tendencies_ij
423    END INTERFACE wtm_tendencies
424   
425   
426    PUBLIC wtm_check_parameters, wtm_forces, wtm_init, wtm_init_arrays,        &
427           wtm_parin, wtm_write_restart_data, wtm_tendencies
428
429
430 CONTAINS
431
432
433!------------------------------------------------------------------------------!
434! Description:
435! ------------
436!> Parin for &wind_turbine_par for wind turbine model
437!------------------------------------------------------------------------------!
438    SUBROUTINE wtm_parin
439
440
441       IMPLICIT NONE
442       
443       INTEGER(iwp) ::  ierrn       !<
444
445       CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
446
447       NAMELIST /wind_turbine_par/   air_dens, dtow, gear_eff, gear_ratio,     &
448                                  gen_eff, inertia_gen, inertia_rot, max_miss, &
449                                  max_torque_gen, max_trq_rate, min_miss,      &
450                                  min_reg15, min_reg2, nairfoils, nturbines,   &
451                                  omega_rot, phi_yaw, pitch_add, pitch_control,&
452                                  rated_genspeed, rated_power, rcx, rcy, rcz,  &
453                                  rnac, rr, segment_length, segment_width,     &
454                                  slope2, speed_control, tilt, time_turbine_on,&
455                                  turb_cd_nacelle, turb_cd_tower, pitch_rate,  &
456                                  yaw_control, yaw_speed, tl_cor
457
458!
459!--    Try to find wind turbine model package
460       REWIND ( 11 )
461       line = ' '
462       DO  WHILE ( INDEX( line, '&wind_turbine_par' ) == 0 )
463          READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
464       ENDDO
465       BACKSPACE ( 11 )
466
467!
468!--    Read user-defined namelist
469       READ ( 11, wind_turbine_par, IOSTAT=ierrn )
470
471       IF ( ierrn < 0 )  THEN
472          message_string = 'no wind_turbine_par-NAMELIST found: '  //          &
473                           'End of file has reached'
474          CALL message( 'wtm_parin', 'PA0460', 1, 2, 0, 6, 0 )
475       ELSEIF ( ierrn > 0 ) THEN
476          message_string = 'errors in wind_turbine_par-NAMELIST: '  //          &
477                           'some variables for steering may not be properly set'
478          CALL message( 'wtm_parin', 'PA0466', 1, 2, 0, 6, 0 )               
479       ENDIF
480       
481!
482!--    Set flag that indicates that the wind turbine model is switched on
483       wind_turbine = .TRUE.
484
485       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) THEN
486          CALL wtm_read_restart_data
487       ENDIF
488
489 10    CONTINUE   ! TBD Change from continue, mit ierrn machen
490
491
492    END SUBROUTINE wtm_parin
493
494
495!------------------------------------------------------------------------------!
496! Description:
497! ------------
498!> This routine writes the respective restart data.
499!------------------------------------------------------------------------------!
500    SUBROUTINE wtm_write_restart_data 
501
502       IMPLICIT NONE
503       
504       WRITE ( 14 )  'omega_gen                     '
505       WRITE ( 14 )  omega_gen
506       WRITE ( 14 )  'omega_gen_f                   '
507       WRITE ( 14 )  omega_gen_f
508       WRITE ( 14 )  'omega_gen_f_old               '
509       WRITE ( 14 )  omega_gen_f_old
510       WRITE ( 14 )  'omega_gen_old                 '
511       WRITE ( 14 )  omega_gen_old
512       WRITE ( 14 )  'omega_rot                     '
513       WRITE ( 14 )  omega_rot
514       WRITE ( 14 )  'phi_yaw                       '
515       WRITE ( 14 )  phi_yaw(:)
516       WRITE ( 14 )  'pitch_add                     '
517       WRITE ( 14 )  pitch_add
518       WRITE ( 14 )  'pitch_add_old                 '
519       WRITE ( 14 )  pitch_add_old
520       WRITE ( 14 )  'torque_gen                    '
521       WRITE ( 14 )  torque_gen
522       WRITE ( 14 )  'torque_gen_old                '
523       WRITE ( 14 )  torque_gen_old
524     
525       WRITE ( 14 )  '*** end wtm ***               '
526       
527    END SUBROUTINE wtm_write_restart_data   
528
529
530!------------------------------------------------------------------------------!
531! Description:
532! ------------
533!> This routine reads the respective restart data.
534!------------------------------------------------------------------------------!
535 SUBROUTINE wtm_read_restart_data
536
537
538    IMPLICIT NONE
539
540    CHARACTER (LEN=30) ::  variable_chr  !< dummy variable to read string
541
542
543    READ ( 13 )  variable_chr
544    DO  WHILE ( TRIM( variable_chr ) /= '*** end wtm ***' )
545
546       SELECT CASE ( TRIM( variable_chr ) )
547
548          CASE ( 'omega_gen' )
549             READ ( 13 )  omega_gen
550          CASE ( 'omega_gen_f' )
551             READ ( 13 )  omega_gen_f
552          CASE ( 'omega_gen_old' )
553             READ ( 13 )  omega_gen_old
554          CASE ( 'omega_gen_f_old' )
555             READ ( 13 )  omega_gen_f_old
556          CASE ( 'omega_rot' )
557             READ ( 13 )  omega_rot
558          CASE ( 'phi_yaw' )
559             READ ( 13 )  phi_yaw
560          CASE ( 'pitch_add' )
561             READ ( 13 )  pitch_add
562          CASE ( 'pitch_add_old' )
563             READ ( 13 )  pitch_add_old
564          CASE ( 'torque_gen' )
565             READ ( 13 )  torque_gen
566          CASE ( 'torque_gen_old' )
567             READ ( 13 )  torque_gen_old
568
569       END SELECT
570
571       READ ( 13 )  variable_chr
572
573    ENDDO
574
575 END SUBROUTINE wtm_read_restart_data
576
577
578!------------------------------------------------------------------------------!
579! Description:
580! ------------
581!> Check namelist parameter
582!------------------------------------------------------------------------------!
583    SUBROUTINE wtm_check_parameters
584
585   
586       IMPLICIT NONE
587   
588       IF ( ( .NOT.speed_control ) .AND. pitch_control )  THEN
589          message_string = 'pitch_control = .TRUE. requires '//                &
590                           'speed_control = .TRUE.'
591          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0461', 1, 2, 0, 6, 0 )
592       ENDIF
593       
594       IF ( ANY( omega_rot(1:nturbines) < 0.0 ) )  THEN
595          message_string = 'omega_rot < 0.0, Please set omega_rot to '     // &
596                           'a value larger than or equal to zero'
597          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0462', 1, 2, 0, 6, 0 )
598       ENDIF
599       
600       
601       IF ( ANY( rcx(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) .OR.                       &
602            ANY( rcy(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) .OR.                       &
603            ANY( rcz(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) )  THEN
604         
605          message_string = 'rcx, rcy, rcz '                                 // &
606                           'have to be given for each turbine.'         
607          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0463', 1, 2, 0, 6, 0 )         
608         
609       ENDIF
610
611 
612    END SUBROUTINE wtm_check_parameters
613   
614                                       
615!------------------------------------------------------------------------------!
616! Description:
617! ------------
618!> Allocate wind turbine model arrays
619!------------------------------------------------------------------------------!
620    SUBROUTINE wtm_init_arrays
621
622
623       IMPLICIT NONE
624
625       REAL(wp) ::  delta_r_factor   !<
626       REAL(wp) ::  delta_r_init     !<
627
628!
629!--    To be able to allocate arrays with dimension of rotor rings and segments,
630!--    the maximum possible numbers of rings and segments have to be calculated:
631
632       ALLOCATE( nrings(1:nturbines) )
633       ALLOCATE( delta_r(1:nturbines) )
634
635       nrings(:)  = 0
636       delta_r(:) = 0.0_wp
637
638!
639!--    Thickness (radial) of each ring and length (tangential) of each segment:
640       delta_r_factor = segment_width
641       delta_t_factor = segment_length
642       delta_r_init   = delta_r_factor * MIN( dx, dy, dz)
643
644       DO inot = 1, nturbines
645!
646!--       Determine number of rings:
647          nrings(inot) = NINT( rr(inot) / delta_r_init )
648
649          delta_r(inot) = rr(inot) / nrings(inot)
650
651       ENDDO
652
653       nrings_max = MAXVAL(nrings)
654
655       ALLOCATE( nsegs(1:nrings_max,1:nturbines) )
656       ALLOCATE( nsegs_total(1:nturbines) )
657
658       nsegs(:,:)     = 0
659       nsegs_total(:) = 0
660
661
662       DO inot = 1, nturbines
663          DO ring = 1, nrings(inot)
664!
665!--          Determine number of segments for each ring:
666             nsegs(ring,inot) = MAX( 8, CEILING( delta_r_factor * pi *         &
667                                                 ( 2.0_wp * ring - 1.0_wp ) /  &
668                                                 delta_t_factor ) )
669          ENDDO
670!
671!--       Total sum of all rotor segments:
672          nsegs_total(inot) = SUM( nsegs(:,inot) )
673
674       ENDDO
675
676!
677!--    Maximum number of segments per ring:
678       nsegs_max = MAXVAL(nsegs)
679
680!!
681!!--    TODO: Folgendes im Header ausgeben!
682!       IF ( myid == 0 )  THEN
683!          PRINT*, 'nrings(1) = ', nrings(1)
684!          PRINT*, '--------------------------------------------------'
685!          PRINT*, 'nsegs(:,1) = ', nsegs(:,1)
686!          PRINT*, '--------------------------------------------------'
687!          PRINT*, 'nrings_max = ', nrings_max
688!          PRINT*, 'nsegs_max = ', nsegs_max
689!          PRINT*, 'nsegs_total(1) = ', nsegs_total(1)
690!       ENDIF
691
692
693!
694!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of turbines)
695       ALLOCATE( i_hub(1:nturbines) )
696       ALLOCATE( i_smear(1:nturbines) )
697       ALLOCATE( j_hub(1:nturbines) )
698       ALLOCATE( j_smear(1:nturbines) )
699       ALLOCATE( k_hub(1:nturbines) )
700       ALLOCATE( k_smear(1:nturbines) )
701       ALLOCATE( torque_total(1:nturbines) )
702       ALLOCATE( thrust_rotor(1:nturbines) )
703
704!
705!--    Allocation of the 1D arrays for yaw control
706       ALLOCATE( yawdir(1:nturbines) )
707       ALLOCATE( u_inflow(1:nturbines) )
708       ALLOCATE( wdir(1:nturbines) )
709       ALLOCATE( u_inflow_l(1:nturbines) )
710       ALLOCATE( wdir_l(1:nturbines) )
711       ALLOCATE( phi_yaw_l(1:nturbines) )
712       
713!
714!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of rotor segments)
715       ALLOCATE( alpha_attack(1:nsegs_max) )
716       ALLOCATE( chord(1:nsegs_max) )
717       ALLOCATE( phi_rel(1:nsegs_max) )
718       ALLOCATE( thrust_seg(1:nsegs_max) )
719       ALLOCATE( torque_seg_y(1:nsegs_max) )
720       ALLOCATE( torque_seg_z(1:nsegs_max) )
721       ALLOCATE( turb_cd(1:nsegs_max) )
722       ALLOCATE( turb_cl(1:nsegs_max) )
723       ALLOCATE( vrel(1:nsegs_max) )
724       ALLOCATE( vtheta(1:nsegs_max) )
725
726!
727!--    Allocate 2D arrays (dimension = number of rotor rings and segments)
728       ALLOCATE( rbx(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
729       ALLOCATE( rby(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
730       ALLOCATE( rbz(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
731       ALLOCATE( thrust_ring(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
732       ALLOCATE( torque_ring_y(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
733       ALLOCATE( torque_ring_z(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
734
735!
736!--    Allocate additional 2D arrays
737       ALLOCATE( rotx(1:nturbines,1:3) )
738       ALLOCATE( roty(1:nturbines,1:3) )
739       ALLOCATE( rotz(1:nturbines,1:3) )
740
741!
742!--    Allocate 3D arrays (dimension = number of grid points)
743       ALLOCATE( nac_cd_surf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
744       ALLOCATE( rot_tend_x(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
745       ALLOCATE( rot_tend_y(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
746       ALLOCATE( rot_tend_z(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
747       ALLOCATE( thrust(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
748       ALLOCATE( torque_y(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
749       ALLOCATE( torque_z(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
750       ALLOCATE( tow_cd_surf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
751
752!
753!--    Allocate additional 3D arrays
754       ALLOCATE( u_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
755       ALLOCATE( u_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
756       ALLOCATE( v_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
757       ALLOCATE( v_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
758       ALLOCATE( w_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
759       ALLOCATE( w_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
760
761!
762!--    All of the arrays are initialized with a value of zero:
763       i_hub(:)                 = 0
764       i_smear(:)               = 0
765       j_hub(:)                 = 0
766       j_smear(:)               = 0
767       k_hub(:)                 = 0
768       k_smear(:)               = 0
769       
770       torque_total(:)          = 0.0_wp
771       thrust_rotor(:)          = 0.0_wp
772
773       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
774          omega_gen(:)             = 0.0_wp
775          omega_gen_old(:)         = 0.0_wp
776          omega_gen_f(:)           = 0.0_wp
777          omega_gen_f_old(:)       = 0.0_wp
778          pitch_add_old(:)         = 0.0_wp
779          torque_gen(:)            = 0.0_wp
780          torque_gen_old(:)        = 0.0_wp
781       ENDIF
782
783       yawdir(:)                = 0.0_wp
784       wdir(:)                  = 0.0_wp
785       u_inflow(:)              = 0.0_wp
786
787!
788!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of rotor segments)
789       alpha_attack(:)          = 0.0_wp
790       chord(:)                 = 0.0_wp
791       phi_rel(:)               = 0.0_wp
792       thrust_seg(:)            = 0.0_wp
793       torque_seg_y(:)          = 0.0_wp
794       torque_seg_z(:)          = 0.0_wp
795       turb_cd(:)               = 0.0_wp
796       turb_cl(:)               = 0.0_wp
797       vrel(:)                  = 0.0_wp
798       vtheta(:)                = 0.0_wp
799
800       rbx(:,:)                 = 0.0_wp
801       rby(:,:)                 = 0.0_wp
802       rbz(:,:)                 = 0.0_wp
803       thrust_ring(:,:)         = 0.0_wp
804       torque_ring_y(:,:)       = 0.0_wp
805       torque_ring_z(:,:)       = 0.0_wp
806
807       rotx(:,:)                = 0.0_wp
808       roty(:,:)                = 0.0_wp
809       rotz(:,:)                = 0.0_wp
810
811       nac_cd_surf(:,:,:)       = 0.0_wp
812       rot_tend_x(:,:,:)        = 0.0_wp
813       rot_tend_y(:,:,:)        = 0.0_wp
814       rot_tend_z(:,:,:)        = 0.0_wp
815       thrust(:,:,:)            = 0.0_wp
816       torque_y(:,:,:)          = 0.0_wp
817       torque_z(:,:,:)          = 0.0_wp
818       tow_cd_surf(:,:,:)       = 0.0_wp
819
820       u_int(:,:,:)             = 0.0_wp
821       u_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
822       v_int(:,:,:)             = 0.0_wp
823       v_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
824       w_int(:,:,:)             = 0.0_wp
825       w_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
826
827
828    END SUBROUTINE wtm_init_arrays
829
830
831!------------------------------------------------------------------------------!
832! Description:
833! ------------
834!> Initialization of the wind turbine model
835!------------------------------------------------------------------------------!
836    SUBROUTINE wtm_init
837
838   
839       IMPLICIT NONE
840
841       INTEGER(iwp) ::  i  !< running index
842       INTEGER(iwp) ::  j  !< running index
843       INTEGER(iwp) ::  k  !< running index
844       
845!
846!--    Help variables for the smearing function       
847       REAL(wp) ::  eps_kernel       !<       
848       
849!
850!--    Help variables for calculation of the tower drag       
851       INTEGER(iwp) ::  tower_n      !<
852       INTEGER(iwp) ::  tower_s      !<
853!
854!--    Help variables for the calulaction of the nacelle drag
855       INTEGER(iwp) ::  i_ip         !<
856       INTEGER(iwp) ::  i_ipg        !<
857       
858       REAL(wp) ::  yvalue               
859       REAL(wp) ::  dy_int           !<
860       REAL(wp) ::  dz_int           !<
861       
862       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: circle_points  !<
863             
864       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacb       !<
865       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacl       !<
866       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacr       !<
867       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nact       !<
868       
869       ALLOCATE( index_nacb(1:nturbines) )
870       ALLOCATE( index_nacl(1:nturbines) )
871       ALLOCATE( index_nacr(1:nturbines) )
872       ALLOCATE( index_nact(1:nturbines) )
873
874
875       IF ( speed_control)  THEN
876       
877          CALL wtm_speed_control
878
879          IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) THEN
880
881             DO inot = 1, nturbines
882
883                IF ( nxl > i_hub(inot) ) THEN
884                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
885                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
886                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
887                ENDIF
888
889                IF ( nxr < i_hub(inot) ) THEN
890                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
891                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
892                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
893                ENDIF
894
895                IF ( nys > j_hub(inot) ) THEN
896                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
897                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
898                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
899                ENDIF
900
901                IF ( nyn < j_hub(inot) ) THEN
902                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
903                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
904                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
905                ENDIF
906
907                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) ) .AND. ( nxr >= i_hub(inot) ) ) THEN
908                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) ) .AND. ( nyn >= j_hub(inot) ) ) THEN
909
910                      omega_rot_l(inot) = omega_gen(inot) / gear_ratio
911
912                   ENDIF
913                ENDIF
914
915             END DO
916
917          ENDIF
918
919       ENDIF
920
921!
922!------------------------------------------------------------------------------!
923!--    Calculation of parameters for the regularization kernel
924!--    (smearing of the forces)
925!------------------------------------------------------------------------------!
926!
927!--    In the following, some of the required parameters for the smearing will
928!--    be calculated:
929
930!--    The kernel is set equal to twice the grid spacing which has turned out to
931!--    be a reasonable value (see e.g. Troldborg et al. (2013), Wind Energy,
932!--    DOI: 10.1002/we.1608):
933       eps_kernel = 2.0_wp * dx
934!
935!--    The zero point (eps_min) of the polynomial function must be the following
936!--    if the integral of the polynomial function (for values < eps_min) shall
937!--    be equal to the integral of the Gaussian function used before:
938       eps_min = ( 105.0_wp / 32.0_wp )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) *                 &
939                 pi**( 1.0_wp / 6.0_wp ) * eps_kernel
940!
941!--    Square of eps_min:
942       eps_min2 = eps_min**2
943!
944!--    Parameters in the polynomial function:
945       pol_a = 1.0_wp / eps_min**4
946       pol_b = 2.0_wp / eps_min**2
947!
948!--    Normalization factor which is the inverse of the integral of the smearing
949!--    function:
950       eps_factor = 105.0_wp / ( 32.0_wp * pi * eps_min**3 )
951       
952!--    Change tilt angle to rad:
953       tilt = tilt * pi / 180.0_wp
954     
955!
956!--    Change yaw angle to rad:
957       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
958          phi_yaw(:) = phi_yaw(:) * pi / 180.0_wp
959       ENDIF
960
961
962       DO inot = 1, nturbines
963!
964!--       Rotate the rotor coordinates in case yaw and tilt are defined
965          CALL wtm_rotate_rotor( inot )
966         
967!
968!--       Determine the indices of the hub height
969          i_hub(inot) = INT(   rcx(inot)                 / dx )
970          j_hub(inot) = INT( ( rcy(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
971          k_hub(inot) = INT( ( rcz(inot) + 0.5_wp * dz ) / dz )
972
973!
974!--       Determining the area to which the smearing of the forces is applied.
975!--       As smearing now is effectively applied only for distances smaller than
976!--       eps_min, the smearing area can be further limited and regarded as a
977!--       function of eps_min:
978          i_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dx )
979          j_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dy )
980          k_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dz )
981       
982       ENDDO
983
984!
985!------------------------------------------------------------------------------!
986!--    Determine the area within each grid cell that overlaps with the area
987!--    of the nacelle and the tower (needed for calculation of the forces)
988!------------------------------------------------------------------------------!
989!
990!--    Note: so far this is only a 2D version, in that the mean flow is
991!--    perpendicular to the rotor area.
992
993!
994!--    Allocation of the array containing information on the intersection points
995!--    between rotor disk and the numerical grid:
996       upper_end = ( ny + 1 ) * 10000 
997
998       ALLOCATE( circle_points(1:2,1:upper_end) )
999       
1000       circle_points(:,:) = 0.0_wp
1001
1002       
1003       DO inot = 1, nturbines                     ! loop over number of turbines
1004!
1005!--       Determine the grid index (u-grid) that corresponds to the location of
1006!--       the rotor center (reduces the amount of calculations in the case that
1007!--       the mean flow is perpendicular to the rotor area):
1008          i = i_hub(inot)
1009
1010!
1011!--       Determine the left and the right edge of the nacelle (corresponding
1012!--       grid point indices):
1013          index_nacl(inot) = INT( ( rcy(inot) - rnac(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1014          index_nacr(inot) = INT( ( rcy(inot) + rnac(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1015!
1016!--       Determine the bottom and the top edge of the nacelle (corresponding
1017!--       grid point indices).The grid point index has to be increased by 1, as
1018!--       the first level for the u-component (index 0) is situated below the
1019!--       surface. All points between z=0 and z=dz/s would already be contained
1020!--       in grid box 1.
1021          index_nacb(inot) = INT( ( rcz(inot) - rnac(inot) ) / dz ) + 1
1022          index_nact(inot) = INT( ( rcz(inot) + rnac(inot) ) / dz ) + 1
1023
1024!
1025!--       Determine the indices of the grid boxes containing the left and
1026!--       the right boundaries of the tower:
1027          tower_n = ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) - 0.5_wp * dy ) / dy
1028          tower_s = ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) - 0.5_wp * dy ) / dy
1029
1030!
1031!--       Determine the fraction of the grid box area overlapping with the tower
1032!--       area and multiply it with the drag of the tower:
1033          IF ( ( nxlg <= i )  .AND.  ( nxrg >= i ) )  THEN
1034
1035             DO  j = nys, nyn
1036!
1037!--             Loop from south to north boundary of tower
1038                IF ( ( j >= tower_s )  .AND.  ( j <= tower_n ) )  THEN
1039
1040                   DO  k = nzb, nzt
1041
1042                      IF ( k == k_hub(inot) )  THEN
1043                         IF ( tower_n - tower_s >= 1 )  THEN
1044!
1045!--                      leftmost and rightmost grid box:
1046                            IF ( j == tower_s )  THEN
1047                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) -              &
1048                                    ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) )  *    & ! extension in z-direction
1049                                  ( ( tower_s + 1.0_wp + 0.5_wp ) * dy    -    &
1050                                    ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) ) ) *    & ! extension in y-direction
1051                                  turb_cd_tower(inot)
1052                            ELSEIF ( j == tower_n )  THEN
1053                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot)            -   &
1054                                    ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) )  *    & ! extension in z-direction
1055                                  ( ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) )   -    &
1056                                    ( tower_n + 0.5_wp ) * dy )           *    & ! extension in y-direction
1057                                  turb_cd_tower(inot)
1058!
1059!--                         grid boxes inbetween
1060!--                         (where tow_cd_surf = grid box area):
1061                            ELSE
1062                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) -              &
1063                                    ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) )  *    &
1064                                    dy * turb_cd_tower(inot)
1065                            ENDIF
1066!
1067!--                      tower lies completely within one grid box:
1068                         ELSE
1069                            tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot)                 - &
1070                                       ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) ) *  &
1071                                       dtow(inot) * turb_cd_tower(inot)
1072                         ENDIF
1073!
1074!--                  In case that k is smaller than k_hub the following actions
1075!--                  are carried out:
1076                      ELSEIF ( k < k_hub(inot) )  THEN
1077                     
1078                         IF ( ( tower_n - tower_s ) >= 1 )  THEN
1079!
1080!--                         leftmost and rightmost grid box:
1081                            IF ( j == tower_s )  THEN                         
1082                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz * (                     &
1083                                      ( tower_s + 1 + 0.5_wp ) * dy         -  &
1084                                      ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) )      &
1085                                                        ) * turb_cd_tower(inot)
1086                            ELSEIF ( j == tower_n )  THEN
1087                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz * (                     &
1088                                      ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) )   -  &
1089                                      ( tower_n + 0.5_wp ) * dy                &
1090                                                         ) * turb_cd_tower(inot)
1091!
1092!--                         grid boxes inbetween
1093!--                         (where tow_cd_surf = grid box area):
1094                            ELSE
1095                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz * dy * turb_cd_tower(inot)
1096                            ENDIF
1097!
1098!--                         tower lies completely within one grid box:
1099                         ELSE
1100                            tow_cd_surf(k,j,i) = dz * dtow(inot) *             &
1101                                                turb_cd_tower(inot)
1102                         ENDIF ! end if larger than grid box
1103
1104                      ENDIF    ! end if k == k_hub
1105
1106                   ENDDO       ! end loop over k
1107
1108                ENDIF          ! end if inside north and south boundary of tower
1109
1110             ENDDO             ! end loop over j
1111
1112          ENDIF                ! end if hub inside domain + ghostpoints
1113       
1114         
1115          CALL exchange_horiz( tow_cd_surf, nbgp )
1116
1117!
1118!--       Calculation of the nacelle area
1119!--       CAUTION: Currently disabled due to segmentation faults on the FLOW HPC
1120!--                cluster (Oldenburg)
1121!!
1122!!--       Tabulate the points on the circle that are required in the following for
1123!!--       the calculation of the Riemann integral (node points; they are called
1124!!--       circle_points in the following):
1125!
1126!          dy_int = dy / 10000.0_wp
1127!
1128!          DO  i_ip = 1, upper_end
1129!             yvalue   = dy_int * ( i_ip - 0.5_wp ) + 0.5_wp * dy           !<--- segmentation fault
1130!             sqrt_arg = rnac(inot)**2 - ( yvalue - rcy(inot) )**2          !<--- segmentation fault
1131!             IF ( sqrt_arg >= 0.0_wp )  THEN
1132!!
1133!!--             bottom intersection point
1134!                circle_points(1,i_ip) = rcz(inot) - SQRT( sqrt_arg )
1135!!
1136!!--             top intersection point
1137!                circle_points(2,i_ip) = rcz(inot) + SQRT( sqrt_arg )       !<--- segmentation fault
1138!             ELSE
1139!                circle_points(:,i_ip) = -111111                            !<--- segmentation fault
1140!             ENDIF
1141!          ENDDO
1142!
1143!
1144!          DO  j = nys, nyn
1145!!
1146!!--          In case that the grid box is located completely outside the nacelle
1147!!--          (y) it can automatically be stated that there is no overlap between
1148!!--          the grid box and the nacelle and consequently we can set
1149!!--          nac_cd_surf(:,j,i) = 0.0:
1150!             IF ( ( j >= index_nacl(inot) )  .AND.  ( j <= index_nacr(inot) ) )  THEN
1151!                DO  k = nzb+1, nzt
1152!!
1153!!--                In case that the grid box is located completely outside the
1154!!--                nacelle (z) it can automatically be stated that there is no
1155!!--                overlap between the grid box and the nacelle and consequently
1156!!--                we can set nac_cd_surf(k,j,i) = 0.0:
1157!                   IF ( ( k >= index_nacb(inot) )  .OR.                           &
1158!                        ( k <= index_nact(inot) ) )  THEN
1159!!
1160!!--                   For all other cases Riemann integrals are calculated.
1161!!--                   Here, the points on the circle that have been determined
1162!!--                   above are used in order to calculate the overlap between the
1163!!--                   gridbox and the nacelle area (area approached by 10000
1164!!--                   rectangulars dz_int * dy_int):
1165!                      DO  i_ipg = 1, 10000
1166!                         dz_int = dz
1167!                         i_ip = j * 10000 + i_ipg
1168!!
1169!!--                      Determine the vertical extension dz_int of the circle
1170!!--                      within the current grid box:
1171!                         IF ( ( circle_points(2,i_ip) < zw(k) ) .AND.          &  !<--- segmentation fault
1172!                              ( circle_points(2,i_ip) >= zw(k-1) ) ) THEN
1173!                            dz_int = dz_int -                                  &  !<--- segmentation fault
1174!                                     ( zw(k) - circle_points(2,i_ip) )
1175!                         ENDIF
1176!                         IF ( ( circle_points(1,i_ip) <= zw(k) ) .AND.         &  !<--- segmentation fault
1177!                              ( circle_points(1,i_ip) > zw(k-1) ) ) THEN
1178!                            dz_int = dz_int -                                  &
1179!                                     ( circle_points(1,i_ip) - zw(k-1) )
1180!                         ENDIF
1181!                         IF ( zw(k-1) > circle_points(2,i_ip) ) THEN
1182!                            dz_int = 0.0_wp
1183!                         ENDIF
1184!                         IF ( zw(k) < circle_points(1,i_ip) ) THEN
1185!                            dz_int = 0.0_wp                     
1186!                         ENDIF
1187!                         IF ( ( nxlg <= i ) .AND. ( nxrg >= i ) ) THEN
1188!                            nac_cd_surf(k,j,i) = nac_cd_surf(k,j,i) +        &  !<--- segmentation fault
1189!                                                  dy_int * dz_int * turb_cd_nacelle(inot)
1190!                         ENDIF   
1191!                      ENDDO
1192!                   ENDIF
1193!                ENDDO
1194!             ENDIF
1195!
1196!          ENDDO
1197!       
1198!          CALL exchange_horiz( nac_cd_surf, nbgp )                                !<---  segmentation fault
1199
1200       ENDDO   ! end of loop over turbines
1201
1202       tow_cd_surf   = tow_cd_surf   / ( dx * dy * dz )      ! Normalize tower drag
1203       nac_cd_surf = nac_cd_surf / ( dx * dy * dz )      ! Normalize nacelle drag
1204
1205       CALL wtm_read_blade_tables
1206 
1207    END SUBROUTINE wtm_init
1208
1209
1210!------------------------------------------------------------------------------!
1211! Description:
1212! ------------
1213!> Read in layout of the rotor blade , the lift and drag tables
1214!> and the distribution of lift and drag tables along the blade
1215!------------------------------------------------------------------------------!
1216!
1217    SUBROUTINE wtm_read_blade_tables
1218
1219
1220       IMPLICIT NONE
1221
1222       INTEGER(iwp) ::  ii   !< running index
1223       INTEGER(iwp) ::  jj   !< running index
1224   
1225       INTEGER(iwp) ::  ierrn       !<
1226   
1227       CHARACTER(200) :: chmess     !< Read in string
1228
1229       INTEGER(iwp) ::  dlen        !< no. rows of local table
1230       INTEGER(iwp) ::  dlenbl      !< no. rows of cd, cl table
1231       INTEGER(iwp) ::  ialpha      !< table position of current alpha value
1232       INTEGER(iwp) ::  iialpha     !<
1233       INTEGER(iwp) ::  iir         !<
1234       INTEGER(iwp) ::  radres      !< radial resolution
1235       INTEGER(iwp) ::  t1          !< no. of airfoil
1236       INTEGER(iwp) ::  t2          !< no. of airfoil
1237       INTEGER(iwp) ::  trow        !<
1238       INTEGER(iwp) ::  dlenbl_int  !< no. rows of interpolated cd, cl tables
1239   
1240       REAL(wp) :: alpha_attack_i   !<
1241       REAL(wp) :: weight_a         !<
1242       REAL(wp) :: weight_b         !<
1243
1244       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: ttoint1    !<
1245       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: ttoint2    !<
1246   
1247       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cd_sel1   !<
1248       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cd_sel2   !<
1249       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cl_sel1   !<
1250       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cl_sel2   !<
1251       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: read_cl_cd     !< read in var array
1252             
1253       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: alpha_attack_tab   !<
1254       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: trad1              !<
1255       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: trad2              !<         
1256       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE  :: turb_cd_table      !<
1257       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE  :: turb_cl_table      !<
1258                                         
1259       ALLOCATE ( read_cl_cd(1:2*nairfoils+1) )
1260
1261!
1262!--    Read in the distribution of lift and drag tables along the blade, the
1263!--    layout of the rotor blade and the lift and drag tables:
1264
1265       OPEN ( 90, FILE='WTM_DATA', STATUS='OLD', FORM='FORMATTED', IOSTAT=ierrn )
1266
1267       IF ( ierrn /= 0 )  THEN
1268          message_string = 'file WTM_DATA does not exist'
1269          CALL message( 'wtm_init', 'PA0464', 1, 2, 0, 6, 0 )
1270       ENDIF
1271!
1272!--    Read distribution table:
1273
1274       dlen = 0
1275
1276       READ ( 90, '(3/)' )
1277
1278       rloop3: DO
1279          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1280          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop3
1281          dlen = dlen + 1
1282       ENDDO rloop3
1283
1284       ALLOCATE( trad1(1:dlen), trad2(1:dlen), ttoint1(1:dlen), ttoint2(1:dlen))
1285
1286       DO jj = 1,dlen+1
1287          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1288       ENDDO
1289
1290       DO jj = 1,dlen
1291          READ ( 90, * ) trad1(jj), trad2(jj), ttoint1(jj), ttoint2(jj)
1292       ENDDO
1293
1294!
1295!--    Read layout table:
1296
1297       dlen = 0 
1298
1299       READ ( 90, '(3/)')
1300
1301       rloop1: DO
1302          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1303          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop1
1304          dlen = dlen + 1
1305       ENDDO rloop1
1306
1307       ALLOCATE( lrd(1:dlen), ard(1:dlen), crd(1:dlen) )
1308       DO jj = 1, dlen+1
1309          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1310       ENDDO             
1311       DO jj = 1, dlen
1312          READ ( 90, * ) lrd(jj), ard(jj), crd(jj) 
1313       ENDDO
1314
1315!
1316!--    Read tables (turb_cl(alpha),turb_cd(alpha) for the different profiles:
1317
1318       dlen = 0
1319
1320       READ ( 90, '(3/)' )
1321
1322       rloop2: DO
1323          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1324          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop2
1325          dlen = dlen + 1
1326       ENDDO rloop2
1327
1328       ALLOCATE( alpha_attack_tab(1:dlen), turb_cl_table(1:dlen,1:nairfoils),  &
1329                 turb_cd_table(1:dlen,1:nairfoils) )
1330
1331       DO jj = 1,dlen+1
1332          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1333       ENDDO
1334
1335       DO jj = 1,dlen
1336          READ ( 90, * ) read_cl_cd
1337          alpha_attack_tab(jj) = read_cl_cd(1)
1338          DO ii= 1, nairfoils
1339             turb_cl_table(jj,ii) = read_cl_cd(ii*2)
1340             turb_cd_table(jj,ii) = read_cl_cd(ii*2+1)
1341          ENDDO
1342
1343       ENDDO
1344
1345       dlenbl = dlen
1346
1347       CLOSE ( 90 )
1348
1349!
1350!--    For each possible radial position (resolution: 0.1 m --> 630 values) and
1351!--    each possible angle of attack (resolution: 0.01 degrees --> 36000 values!)
1352!--    determine the lift and drag coefficient by interpolating between the
1353!--    tabulated values of each table (interpolate to current angle of attack)
1354!--    and between the tables (interpolate to current radial position):
1355
1356       ALLOCATE( turb_cl_sel1(0:dlenbl) ) 
1357       ALLOCATE( turb_cl_sel2(0:dlenbl) ) 
1358       ALLOCATE( turb_cd_sel1(0:dlenbl) )
1359       ALLOCATE( turb_cd_sel2(0:dlenbl) )
1360
1361       radres     = INT( rr(1) * 10.0_wp ) + 1_iwp
1362       dlenbl_int = INT( 360.0_wp / accu_cl_cd_tab ) + 1_iwp
1363
1364
1365       ALLOCATE( turb_cl_tab(0:dlenbl_int,1:radres) )
1366       ALLOCATE( turb_cd_tab(0:dlenbl_int,1:radres) )
1367
1368
1369       DO iir = 1, radres ! loop over radius
1370
1371          DO iialpha = 1, dlenbl_int  ! loop over angles
1372
1373             cur_r = ( iir - 1_iwp ) * 0.1_wp             
1374             alpha_attack_i = -180.0_wp + REAL( iialpha-1 ) * accu_cl_cd_tab
1375             ialpha = 1
1376
1377             DO WHILE ( ( alpha_attack_i > alpha_attack_tab(ialpha) ) .AND. (ialpha <= dlen ) )
1378                ialpha = ialpha + 1
1379             ENDDO
1380!
1381!--          Find position in table
1382             lct = MINLOC( ABS( trad1 - cur_r ) )
1383!                lct(1) = lct(1)
1384
1385             IF ( ( trad1(lct(1)) - cur_r ) .GT. 0.0 )  THEN
1386                lct(1) = lct(1) - 1
1387             ENDIF
1388
1389             trow = lct(1)
1390!
1391!--          Calculate weights for interpolation
1392             weight_a = ( trad2(trow) - cur_r ) / ( trad2(trow) - trad1(trow) )
1393             weight_b = ( cur_r - trad1(trow) ) / ( trad2(trow) - trad1(trow) )
1394             t1 = ttoint1(trow)
1395             t2 = ttoint2(trow)
1396
1397             IF ( t1 .EQ. t2 ) THEN  ! if both are the same, the weights are NaN
1398                weight_a = 0.5_wp    ! then do interpolate in between same twice
1399                weight_b = 0.5_wp    ! using 0.5 as weight
1400             ENDIF
1401
1402             IF ( t1 == 0 .AND. t2 == 0 ) THEN
1403                turb_cd_sel1 = 0.0_wp
1404                turb_cd_sel2 = 0.0_wp
1405                turb_cl_sel1 = 0.0_wp
1406                turb_cl_sel2 = 0.0_wp
1407             ELSE
1408                turb_cd_sel1 = turb_cd_table(:,t1)
1409                turb_cd_sel2 = turb_cd_table(:,t2)
1410                turb_cl_sel1 = turb_cl_table(:,t1)
1411                turb_cl_sel2 = turb_cl_table(:,t2)
1412             ENDIF
1413
1414!
1415!--          Interpolation of lift and drag coefficiencts on fine grid of radius
1416!--          segments and angles of attack
1417
1418             turb_cl_tab(iialpha,iir) = ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1419                                          alpha_attack_i ) /                   &
1420                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1421                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1422                                        ( weight_a * turb_cl_sel1(ialpha-1) +  &
1423                                          weight_b * turb_cl_sel2(ialpha-1) ) +&
1424                                        ( alpha_attack_i             -         &
1425                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) /       &
1426                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1427                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1428                                        ( weight_a * turb_cl_sel1(ialpha) +    &
1429                                          weight_b * turb_cl_sel2(ialpha) )
1430             turb_cd_tab(iialpha,iir) = ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1431                                          alpha_attack_i ) /                   &
1432                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1433                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1434                                        ( weight_a * turb_cd_sel1(ialpha-1) +  &
1435                                          weight_b * turb_cd_sel2(ialpha-1) ) +&
1436                                        ( alpha_attack_i             -         &
1437                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) /       &
1438                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1439                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1440                                        ( weight_a * turb_cd_sel1(ialpha) +    &
1441                                          weight_b * turb_cd_sel2(ialpha) )
1442   
1443          ENDDO   ! end loop over angles of attack
1444
1445       ENDDO   ! end loop over radius
1446   
1447    END SUBROUTINE wtm_read_blade_tables
1448
1449
1450!------------------------------------------------------------------------------!
1451! Description:
1452! ------------
1453!> The projection matrix for the coordinate system of therotor disc in respect
1454!> to the yaw and tilt angle of the rotor is calculated
1455!------------------------------------------------------------------------------!
1456    SUBROUTINE wtm_rotate_rotor( inot )
1457
1458
1459       IMPLICIT NONE
1460
1461       INTEGER(iwp) :: inot
1462!
1463!--    Calculation of the rotation matrix for the application of the tilt to
1464!--    the rotors
1465       rot_eigen_rad(1) = SIN( phi_yaw(inot) )    ! x-component of the radial eigenvector
1466       rot_eigen_rad(2) = COS( phi_yaw(inot) )    ! y-component of the radial eigenvector
1467       rot_eigen_rad(3) = 0.0_wp                  ! z-component of the radial eigenvector
1468
1469       rot_eigen_azi(1) = 0.0_wp                  ! x-component of the azimuth eigenvector
1470       rot_eigen_azi(2) = 0.0_wp                  ! y-component of the azimuth eigenvector
1471       rot_eigen_azi(3) = 1.0_wp                  ! z-component of the azimuth eigenvector
1472
1473       rot_eigen_nor(1) =  COS( phi_yaw(inot) )   ! x-component of the normal eigenvector
1474       rot_eigen_nor(2) = -SIN( phi_yaw(inot) )   ! y-component of the normal eigenvector
1475       rot_eigen_nor(3) = 0.0_wp                  ! z-component of the normal eigenvector
1476   
1477!
1478!--    Calculation of the coordinate transformation matrix to apply a tilt to
1479!--    the rotor. If tilt = 0, rot_coord_trans is a unit matrix.
1480
1481       rot_coord_trans(inot,1,1) = rot_eigen_rad(1)**2                   *     &
1482                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt ) 
1483       rot_coord_trans(inot,1,2) = rot_eigen_rad(1) * rot_eigen_rad(2)   *     &
1484                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1485                                   rot_eigen_rad(3) * SIN( tilt )
1486       rot_coord_trans(inot,1,3) = rot_eigen_rad(1) * rot_eigen_rad(3)   *     &
1487                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1488                                   rot_eigen_rad(2) * SIN( tilt )
1489       rot_coord_trans(inot,2,1) = rot_eigen_rad(2) * rot_eigen_rad(1)   *     &
1490                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1491                                   rot_eigen_rad(3) * SIN( tilt )
1492       rot_coord_trans(inot,2,2) = rot_eigen_rad(2)**2                   *     &
1493                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt ) 
1494       rot_coord_trans(inot,2,3) = rot_eigen_rad(2) * rot_eigen_rad(3)   *     &
1495                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1496                                   rot_eigen_rad(1) * SIN( tilt )
1497       rot_coord_trans(inot,3,1) = rot_eigen_rad(3) * rot_eigen_rad(1)   *     &
1498                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1499                                   rot_eigen_rad(2) * SIN( tilt )
1500       rot_coord_trans(inot,3,2) = rot_eigen_rad(3) * rot_eigen_rad(2)   *     &
1501                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1502                                   rot_eigen_rad(1) * SIN( tilt )
1503       rot_coord_trans(inot,3,3) = rot_eigen_rad(3)**2                   *     &
1504                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt )
1505
1506!
1507!--    Vectors for the Transformation of forces from the rotor's spheric
1508!--    coordinate system to the cartesian coordinate system
1509       rotx(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_nor )
1510       roty(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_rad )
1511       rotz(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_azi )
1512   
1513    END SUBROUTINE wtm_rotate_rotor
1514
1515
1516!------------------------------------------------------------------------------!
1517! Description:
1518! ------------
1519!> Calculation of the forces generated by the wind turbine
1520!------------------------------------------------------------------------------!
1521    SUBROUTINE wtm_forces
1522
1523
1524       IMPLICIT NONE
1525
1526       CHARACTER (LEN=2) ::  turbine_id
1527
1528       INTEGER(iwp) ::  i, j, k          !< loop indices
1529       INTEGER(iwp) ::  inot             !< turbine loop index (turbine id)
1530       INTEGER(iwp) ::  iialpha, iir     !<
1531       INTEGER(iwp) ::  rseg, rseg_int   !<
1532       INTEGER(iwp) ::  ring, ring_int   !<
1533       INTEGER(iwp) ::  ii, jj, kk       !<
1534   
1535       REAL(wp)     ::  flag               !< flag to mask topography grid points
1536       REAL(wp)     ::  sin_rot, cos_rot   !<
1537       REAL(wp)     ::  sin_yaw, cos_yaw   !<
1538       
1539       REAL(wp) ::  aa, bb, cc, dd  !< interpolation distances
1540       REAL(wp) ::  gg              !< interpolation volume var 
1541       
1542       REAL(wp) ::  dist_u_3d, dist_v_3d, dist_w_3d  !< smearing distances
1543
1544       
1545!
1546!      Variables for pitch control
1547       REAL(wp)     ::  torque_max=0.0_wp
1548       LOGICAL      ::  pitch_sw=.FALSE.
1549
1550       INTEGER(iwp), DIMENSION(1) :: lct=0
1551       REAL(wp), DIMENSION(1)     :: rad_d=0.0_wp
1552       
1553       REAL(wp) :: tl_factor !< factor for tip loss correction
1554
1555
1556       CALL cpu_log( log_point_s(61), 'wtm_forces', 'start' )
1557
1558
1559       IF ( simulated_time >= time_turbine_on ) THEN
1560
1561!
1562!--       Set forces to zero for each new time step:
1563          thrust(:,:,:)         = 0.0_wp
1564          torque_y(:,:,:)       = 0.0_wp
1565          torque_z(:,:,:)       = 0.0_wp
1566          torque_total(:)       = 0.0_wp
1567          rot_tend_x(:,:,:)     = 0.0_wp
1568          rot_tend_y(:,:,:)     = 0.0_wp
1569          rot_tend_z(:,:,:)     = 0.0_wp
1570          thrust_rotor(:)       = 0.0_wp
1571!
1572!--       Loop over number of turbines:
1573          DO inot = 1, nturbines
1574
1575             cos_yaw = COS(phi_yaw(inot))
1576             sin_yaw = SIN(phi_yaw(inot))
1577!
1578!--          Loop over rings of each turbine:
1579             DO ring = 1, nrings(inot)
1580
1581                thrust_seg(:)   = 0.0_wp
1582                torque_seg_y(:) = 0.0_wp
1583                torque_seg_z(:) = 0.0_wp
1584!
1585!--             Determine distance between each ring (center) and the hub:
1586                cur_r = (ring - 0.5_wp) * delta_r(inot)
1587
1588!
1589!--             Loop over segments of each ring of each turbine:
1590                DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
1591!
1592!--                !-----------------------------------------------------------!
1593!--                !-- Determine coordinates of the ring segments            --!
1594!--                !-----------------------------------------------------------!
1595!
1596!--                Determine angle of ring segment towards zero degree angle of
1597!--                rotor system (at zero degree rotor direction vectors aligned
1598!--                with y-axis):
1599                   phi_rotor = rseg * 2.0_wp * pi / nsegs(ring,inot)
1600                   cos_rot   = COS( phi_rotor )
1601                   sin_rot   = SIN( phi_rotor )
1602
1603!--                Now the direction vectors can be determined with respect to
1604!--                the yaw and tilt angle:
1605                   re(1) = cos_rot * sin_yaw
1606                   re(2) = cos_rot * cos_yaw   
1607                   re(3) = sin_rot
1608
1609                   rote = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), re )
1610!
1611!--                Coordinates of the single segments (center points):
1612                   rbx(ring,rseg) = rcx(inot) + cur_r * rote(1)
1613                   rby(ring,rseg) = rcy(inot) + cur_r * rote(2)
1614                   rbz(ring,rseg) = rcz(inot) + cur_r * rote(3)
1615
1616!--                !-----------------------------------------------------------!
1617!--                !-- Interpolation of the velocity components from the     --!
1618!--                !-- cartesian grid point to the coordinates of each ring  --!
1619!--                !-- segment (follows a method used in the particle model) --!
1620!--                !-----------------------------------------------------------!
1621
1622                   u_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1623                   u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1624
1625                   v_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1626                   v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1627
1628                   w_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1629                   w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1630
1631!
1632!--                Interpolation of the u-component:
1633
1634                   ii =   rbx(ring,rseg) * ddx
1635                   jj = ( rby(ring,rseg) - 0.5_wp * dy ) * ddy
1636                   kk = ( rbz(ring,rseg) + 0.5_wp * dz ) / dz
1637!
1638!--                Interpolate only if all required information is available on
1639!--                the current PE:
1640                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1641                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1642
1643                         aa = ( ( ii + 1          ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1644                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1645                         bb = ( rbx(ring,rseg) - ii * dx )                  *  &
1646                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1647                         cc = ( ( ii+1            ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1648                              ( rby(ring,rseg) - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1649                         dd = ( rbx(ring,rseg) -              ii * dx )     *  &
1650                              ( rby(ring,rseg) - ( jj + 0.5_wp ) * dy ) 
1651                         gg = dx * dy
1652
1653                         u_int_l = ( aa * u(kk,jj,ii)     +                    &
1654                                     bb * u(kk,jj,ii+1)   +                    &
1655                                     cc * u(kk,jj+1,ii)   +                    &
1656                                     dd * u(kk,jj+1,ii+1)                      &
1657                                   ) / gg
1658
1659                         u_int_u = ( aa * u(kk+1,jj,ii)     +                  &
1660                                     bb * u(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1661                                     cc * u(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1662                                     dd * u(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1663                                   ) / gg
1664
1665                         u_int_1_l(inot,ring,rseg) = u_int_l          +        &
1666                                     ( rbz(ring,rseg) - zu(kk) ) / dz *        &
1667                                     ( u_int_u - u_int_l )
1668
1669                      ELSE
1670                         u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1671                      ENDIF
1672                   ELSE
1673                      u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1674                   ENDIF
1675
1676
1677!
1678!--                Interpolation of the v-component:
1679                   ii = ( rbx(ring,rseg) - 0.5_wp * dx ) * ddx
1680                   jj =   rby(ring,rseg)                 * ddy
1681                   kk = ( rbz(ring,rseg) + 0.5_wp * dz ) / dz
1682!
1683!--                Interpolate only if all required information is available on
1684!--                the current PE:
1685                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1686                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1687
1688                         aa = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1689                              ( ( jj + 1 )          * dy - rby(ring,rseg) )
1690                         bb = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1691                              ( ( jj + 1 ) * dy          - rby(ring,rseg) )
1692                         cc = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1693                              ( rby(ring,rseg)           -        jj * dy )
1694                         dd = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1695                              ( rby(ring,rseg)           -        jj * dy )
1696                         gg = dx * dy
1697
1698                         v_int_l = ( aa * v(kk,jj,ii)     +                    &
1699                                     bb * v(kk,jj,ii+1)   +                    &
1700                                     cc * v(kk,jj+1,ii)   +                    &
1701                                     dd * v(kk,jj+1,ii+1)                      &
1702                                   ) / gg
1703
1704                         v_int_u = ( aa * v(kk+1,jj,ii)     +                  &
1705                                     bb * v(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1706                                     cc * v(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1707                                     dd * v(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1708                                  ) / gg
1709
1710                         v_int_1_l(inot,ring,rseg) = v_int_l +                 &
1711                                     ( rbz(ring,rseg) - zu(kk) ) / dz *        &
1712                                     ( v_int_u - v_int_l )
1713
1714                      ELSE
1715                         v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1716                      ENDIF
1717                   ELSE
1718                      v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1719                   ENDIF
1720
1721
1722!
1723!--                Interpolation of the w-component:
1724                   ii = ( rbx(ring,rseg) - 0.5_wp * dx ) * ddx
1725                   jj = ( rby(ring,rseg) - 0.5_wp * dy ) * ddy
1726                   kk =   rbz(ring,rseg)                 / dz
1727!
1728!--                Interpolate only if all required information is available on
1729!--                the current PE:
1730                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1731                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1732
1733                         aa = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1734                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1735                         bb = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1736                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1737                         cc = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1738                              ( rby(ring,rseg)     - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1739                         dd = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1740                              ( rby(ring,rseg)     - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1741                         gg = dx * dy
1742
1743                         w_int_l = ( aa * w(kk,jj,ii)     +                    &
1744                                     bb * w(kk,jj,ii+1)   +                    &
1745                                     cc * w(kk,jj+1,ii)   +                    &
1746                                     dd * w(kk,jj+1,ii+1)                      &
1747                                   ) / gg
1748
1749                         w_int_u = ( aa * w(kk+1,jj,ii)     +                  &
1750                                     bb * w(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1751                                     cc * w(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1752                                     dd * w(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1753                                    ) / gg
1754
1755                         w_int_1_l(inot,ring,rseg) = w_int_l +                 &
1756                                     ( rbz(ring,rseg) - zw(kk) ) / dz *        &
1757                                     ( w_int_u - w_int_l )
1758                      ELSE
1759                         w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1760                      ENDIF
1761                   ELSE
1762                      w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1763                   ENDIF
1764
1765                ENDDO
1766             ENDDO
1767
1768          ENDDO
1769
1770!
1771!--       Exchange between PEs (information required on each PE):
1772#if defined( __parallel )
1773          CALL MPI_ALLREDUCE( u_int_1_l, u_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1774                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1775          CALL MPI_ALLREDUCE( v_int_1_l, v_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1776                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1777          CALL MPI_ALLREDUCE( w_int_1_l, w_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1778                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1779#else
1780          u_int = u_int_1_l
1781          v_int = v_int_1_l
1782          w_int = w_int_1_l
1783#endif
1784
1785
1786!
1787!--       Loop over number of turbines:
1788
1789          DO inot = 1, nturbines
1790pit_loop: DO
1791
1792             IF ( pitch_sw )  THEN
1793                torque_total(inot) = 0.0_wp
1794                thrust_rotor(inot) = 0.0_wp
1795                pitch_add(inot)    = pitch_add(inot) + 0.25_wp
1796!                 IF ( myid == 0 ) PRINT*, 'Pitch', inot, pitch_add(inot)
1797             ELSE
1798                cos_yaw = COS(phi_yaw(inot))
1799                sin_yaw = SIN(phi_yaw(inot))
1800                IF ( pitch_control )  THEN
1801                   pitch_add(inot) = MAX(pitch_add_old(inot) - pitch_rate *    &
1802                                         dt_3d , 0.0_wp )
1803                ENDIF
1804             ENDIF
1805
1806!
1807!--          Loop over rings of each turbine:
1808             DO ring = 1, nrings(inot)
1809!
1810!--             Determine distance between each ring (center) and the hub:
1811                cur_r = (ring - 0.5_wp) * delta_r(inot)
1812!
1813!--             Loop over segments of each ring of each turbine:
1814                DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
1815!
1816!--                Determine angle of ring segment towards zero degree angle of
1817!--                rotor system (at zero degree rotor direction vectors aligned
1818!--                with y-axis):
1819                   phi_rotor = rseg * 2.0_wp * pi / nsegs(ring,inot)
1820                   cos_rot   = COS(phi_rotor)
1821                   sin_rot   = SIN(phi_rotor)
1822!
1823!--                Now the direction vectors can be determined with respect to
1824!--                the yaw and tilt angle:
1825                   re(1) = cos_rot * sin_yaw
1826                   re(2) = cos_rot * cos_yaw
1827                   re(3) = sin_rot
1828
1829!                  The current unit vector in azimuthal direction:                         
1830                   rea(1) = - sin_rot * sin_yaw
1831                   rea(2) = - sin_rot * cos_yaw
1832                   rea(3) =   cos_rot
1833
1834!
1835!--                To respect the yawing angle for the calculations of
1836!--                velocities and forces the unit vectors perpendicular to the
1837!--                rotor area in direction of the positive yaw angle are defined:
1838                   ren(1) =   cos_yaw
1839                   ren(2) = - sin_yaw
1840                   ren(3) = 0.0_wp
1841!
1842!--                Multiplication with the coordinate transformation matrix
1843!--                gives the final unit vector with consideration of the rotor
1844!--                tilt:
1845                   rote = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), re )
1846                   rota = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rea )
1847                   rotn = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), ren )
1848!
1849!--                Coordinates of the single segments (center points):
1850                   rbx(ring,rseg) = rcx(inot) + cur_r * rote(1)
1851
1852                   rby(ring,rseg) = rcy(inot) + cur_r * rote(2)
1853
1854                   rbz(ring,rseg) = rcz(inot) + cur_r * rote(3)
1855
1856!
1857!--                !-----------------------------------------------------------!
1858!--                !-- Calculation of various angles and relative velocities --!
1859!--                !-----------------------------------------------------------!
1860!
1861!--                In the following the 3D-velocity field is projected its
1862!--                components perpendicular and parallel to the rotor area
1863!--                The calculation of forces will be done in the rotor-
1864!--                coordinates y' and z.
1865!--                The yaw angle will be reintroduced when the force is applied
1866!--                on the hydrodynamic equations
1867!
1868!--                Projection of the xy-velocities relative to the rotor area
1869!
1870!--                Velocity perpendicular to the rotor area:
1871                   u_rot = u_int(inot,ring,rseg)*rotn(1) +                     &
1872                   v_int(inot,ring,rseg)*rotn(2) +                             &
1873                   w_int(inot,ring,rseg)*rotn(3)
1874!
1875!--                Projection of the 3D-velocity vector in the azimuthal
1876!--                direction:
1877                   vtheta(rseg) = rota(1) * u_int(inot,ring,rseg) +            & 
1878                                  rota(2) * v_int(inot,ring,rseg) +            &
1879                                  rota(3) * w_int(inot,ring,rseg)
1880!
1881!--                Determination of the angle phi_rel between the rotor plane
1882!--                and the direction of the flow relative to the rotor:
1883
1884                   phi_rel(rseg) = ATAN( u_rot /                               &
1885                                         ( omega_rot(inot) * cur_r -           &
1886                                           vtheta(rseg) ) )
1887
1888!
1889!--                Interpolation of the local pitch angle from tabulated values
1890!--                to the current radial position:
1891
1892                   lct=minloc(ABS(cur_r-lrd))
1893                   rad_d=cur_r-lrd(lct)
1894                   
1895                   IF (cur_r == 0.0_wp) THEN
1896                      alpha_attack(rseg) = 0.0_wp
1897                   ELSE IF (cur_r >= lrd(size(ard))) THEN
1898                      alpha_attack(rseg) = ( ard(size(ard)) +                  &
1899                                             ard(size(ard)-1) ) / 2.0_wp
1900                   ELSE
1901                      alpha_attack(rseg) = ( ard(lct(1)) *  &
1902                                             ( ( lrd(lct(1)+1) - cur_r ) /     &
1903                                               ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) &
1904                                             ) ) + ( ard(lct(1)+1) *           &
1905                                             ( ( cur_r - lrd(lct(1)) ) /       &
1906                                               ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) )
1907                   ENDIF
1908
1909!
1910!--                In Fortran radian instead of degree is used as unit for all
1911!--                angles. Therefore, a transformation from angles given in
1912!--                degree to angles given in radian is necessary here:
1913                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
1914                                        ( (2.0_wp*pi) / 360.0_wp )
1915!
1916!--                Substraction of the local pitch angle to obtain the local
1917!--                angle of attack:
1918                   alpha_attack(rseg) = phi_rel(rseg) - alpha_attack(rseg)
1919!
1920!--                Preliminary transformation back from angles given in radian
1921!--                to angles given in degree:
1922                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
1923                                        ( 360.0_wp / (2.0_wp*pi) )
1924!
1925!--                Correct with collective pitch angle:
1926                   alpha_attack = alpha_attack - pitch_add(inot)
1927
1928!
1929!--                Determination of the magnitude of the flow velocity relative
1930!--                to the rotor:
1931                   vrel(rseg) = SQRT( u_rot**2 +                               &
1932                                      ( omega_rot(inot) * cur_r -              &
1933                                        vtheta(rseg) )**2 )
1934
1935!
1936!--                !-----------------------------------------------------------!
1937!--                !-- Interpolation of chord as well as lift and drag       --!
1938!--                !-- coefficients from tabulated values                    --!
1939!--                !-----------------------------------------------------------!
1940
1941!
1942!--                Interpolation of the chord_length from tabulated values to
1943!--                the current radial position:
1944
1945                   IF (cur_r == 0.0_wp) THEN
1946                      chord(rseg) = 0.0_wp
1947                   ELSE IF (cur_r >= lrd(size(crd))) THEN
1948                      chord(rseg) = (crd(size(crd)) + ard(size(crd)-1)) / 2.0_wp
1949                   ELSE
1950                      chord(rseg) = ( crd(lct(1)) *                            &
1951                            ( ( lrd(lct(1)+1) - cur_r ) /                      &
1952                              ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) ) +            &
1953                            ( crd(lct(1)+1) *                                  &
1954                            ( ( cur_r-lrd(lct(1)) ) /                          &
1955                              ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) )
1956                   ENDIF
1957
1958!
1959!--                Determine index of current angle of attack, needed for
1960!--                finding the appropriate interpolated values of the lift and
1961!--                drag coefficients (-180.0 degrees = 0, +180.0 degrees = 36000,
1962!--                so one index every 0.01 degrees):
1963                   iialpha = CEILING( ( alpha_attack(rseg) + 180.0_wp )        &
1964                                      * ( 1.0_wp / accu_cl_cd_tab ) )
1965!
1966!--                Determine index of current radial position, needed for
1967!--                finding the appropriate interpolated values of the lift and
1968!--                drag coefficients (one index every 0.1 m):
1969                   iir = CEILING( cur_r * 10.0_wp )
1970!
1971!--                Read in interpolated values of the lift and drag coefficients
1972!--                for the current radial position and angle of attack:
1973                   turb_cl(rseg) = turb_cl_tab(iialpha,iir)
1974                   turb_cd(rseg) = turb_cd_tab(iialpha,iir)
1975
1976!
1977!--                Final transformation back from angles given in degree to
1978!--                angles given in radian:
1979                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
1980                                        ( (2.0_wp*pi) / 360.0_wp )
1981
1982                   IF ( tl_cor )  THEN
1983                   
1984!--                  Tip loss correction following Schito
1985!--                  Schito applies the tip loss correction only to the lift force
1986!--                  Therefore, the tip loss correction is only applied to the lift
1987!--                  coefficient and not to the drag coefficient in our case
1988!--                 
1989                     tl_factor = ( 2.0 / pi ) *                                &
1990                          ACOS( EXP( -1.0 * ( 3.0 * ( rr(inot) - cur_r ) /     &
1991                          ( 2.0 * cur_r * abs( sin( phi_rel(rseg) ) ) ) ) ) )
1992                         
1993                     turb_cl(rseg)  = tl_factor * turb_cl(rseg)                                 
1994                                 
1995                   END IF               
1996!
1997!--                !-----------------------------------------------------!
1998!--                !-- Calculation of the forces                       --!
1999!--                !-----------------------------------------------------!
2000
2001!
2002!--                Calculate the pre_factor for the thrust and torque forces:
2003
2004                   pre_factor = 0.5_wp * (vrel(rseg)**2) * 3.0_wp *  &
2005                                chord(rseg) * delta_r(inot) / nsegs(ring,inot)
2006
2007!
2008!--                Calculate the thrust force (x-component of the total force)
2009!--                for each ring segment:
2010                   thrust_seg(rseg) = pre_factor *                             &
2011                                      ( turb_cl(rseg) * COS(phi_rel(rseg)) +   &
2012                                        turb_cd(rseg) * SIN(phi_rel(rseg)) )
2013
2014!
2015!--                Determination of the second of the additional forces acting
2016!--                on the flow in the azimuthal direction: force vector as basis
2017!--                for torque (torque itself would be the vector product of the
2018!--                radius vector and the force vector):
2019                   torque_seg = pre_factor *                                   &
2020                                ( turb_cl(rseg) * SIN(phi_rel(rseg)) -         &
2021                                  turb_cd(rseg) * COS(phi_rel(rseg)) )
2022!
2023!--                Decomposition of the force vector into two parts:
2024!--                One acting along the y-direction and one acting along the
2025!--                z-direction of the rotor coordinate system:
2026
2027                   torque_seg_y(rseg) = -torque_seg * sin_rot
2028                   torque_seg_z(rseg) =  torque_seg * cos_rot
2029
2030!
2031!--                Add the segment thrust to the thrust of the whole rotor
2032                   thrust_rotor(inot) = thrust_rotor(inot) +                   &
2033                                        thrust_seg(rseg)                   
2034                   
2035
2036                   torque_total(inot) = torque_total(inot) + (torque_seg * cur_r)
2037
2038                ENDDO   !-- end of loop over ring segments
2039
2040!
2041!--             Restore the forces into arrays containing all the segments of
2042!--             each ring:
2043                thrust_ring(ring,:)   = thrust_seg(:)
2044                torque_ring_y(ring,:) = torque_seg_y(:)
2045                torque_ring_z(ring,:) = torque_seg_z(:)
2046
2047
2048             ENDDO   !-- end of loop over rings
2049
2050
2051             CALL cpu_log( log_point_s(62), 'wtm_controller', 'start' )
2052
2053             
2054             IF ( speed_control )  THEN
2055!
2056!--             Calculation of the current generator speed for rotor speed control
2057             
2058!                                     
2059!--             The acceleration of the rotor speed is calculated from
2060!--             the force balance of the accelerating torque
2061!--             and the torque of the rotating rotor and generator
2062                om_rate = ( torque_total(inot) * air_dens * gear_eff -         &
2063                            gear_ratio * torque_gen_old(inot) ) /              &
2064                          ( inertia_rot +                                      & 
2065                            gear_ratio * gear_ratio * inertia_gen ) * dt_3d
2066
2067!
2068!--             The generator speed is given by the product of gear gear_ratio
2069!--             and rotor speed
2070                omega_gen(inot) = gear_ratio * ( omega_rot(inot) + om_rate )     
2071             
2072             ENDIF
2073             
2074             IF ( pitch_control )  THEN
2075
2076!
2077!--             If the current generator speed is above rated, the pitch is not
2078!--             saturated and the change from the last time step is within the
2079!--             maximum pitch rate, then the pitch loop is repeated with a pitch
2080!--             gain
2081                IF ( (  omega_gen(inot)  > rated_genspeed   )  .AND.           &
2082                     ( pitch_add(inot) < 25.0_wp ) .AND.                       &
2083                     ( pitch_add(inot) < pitch_add_old(inot) +                 & 
2084                       pitch_rate * dt_3d  ) ) THEN
2085                   pitch_sw = .TRUE.
2086!
2087!--                Go back to beginning of pit_loop                   
2088                   CYCLE pit_loop
2089                ENDIF
2090               
2091!
2092!--             The current pitch is saved for the next time step
2093                pitch_add_old(inot) = pitch_add(inot)
2094                pitch_sw = .FALSE.
2095             ENDIF
2096             EXIT pit_loop             
2097          ENDDO pit_loop ! Recursive pitch control loop
2098
2099
2100!
2101!--          Call the rotor speed controller
2102             
2103             IF ( speed_control )  THEN
2104!
2105!--             Find processor at i_hub, j_hub             
2106                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) )  .AND.  ( nxr >= i_hub(inot) ) )   &
2107                   THEN
2108                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) )  .AND.  ( nyn >= j_hub(inot) ) )&
2109                      THEN
2110                      CALL wtm_speed_control( inot )
2111                   ENDIF
2112                ENDIF
2113                               
2114             ENDIF
2115
2116
2117             CALL cpu_log( log_point_s(62), 'wtm_controller', 'stop' )
2118
2119             CALL cpu_log( log_point_s(63), 'wtm_smearing', 'start' )
2120
2121
2122!--          !-----------------------------------------------------------------!
2123!--          !--                  Regularization kernel                      --!
2124!--          !-- Smearing of the forces and interpolation to cartesian grid  --!
2125!--          !-----------------------------------------------------------------!
2126!
2127!--          The aerodynamic blade forces need to be distributed smoothly on
2128!--          several mesh points in order to avoid singular behaviour
2129!
2130!--          Summation over sum of weighted forces. The weighting factor
2131!--          (calculated in user_init) includes information on the distance
2132!--          between the center of the grid cell and the rotor segment under
2133!--          consideration
2134!
2135!--          To save computing time, apply smearing only for the relevant part
2136!--          of the model domain:
2137!
2138!--
2139!--          Calculation of the boundaries:
2140             i_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) * ABS( roty(inot,1) ) +       &
2141                                        eps_min ) / dx )
2142             j_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) * ABS( roty(inot,2) ) +       &
2143                                        eps_min ) / dy )
2144
2145             DO i = MAX( nxl, i_hub(inot) - i_smear(inot) ),                   &
2146                    MIN( nxr, i_hub(inot) + i_smear(inot) )
2147                DO j = MAX( nys, j_hub(inot) - j_smear(inot) ),                &
2148                        MIN( nyn, j_hub(inot) + j_smear(inot) )
2149!                    DO k = MAX( nzb_u_inner(j,i)+1, k_hub(inot) - k_smear(inot) ), &
2150!                                 k_hub(inot) + k_smear(inot)
2151                   DO  k = nzb+1, k_hub(inot) + k_smear(inot)
2152                      DO ring = 1, nrings(inot)
2153                         DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
2154!
2155!--                         Predetermine flag to mask topography
2156                            flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2157     
2158!
2159!--                         Determine the square of the distance between the
2160!--                         current grid point and each rotor area segment:
2161                            dist_u_3d = ( i * dx               - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2162                                        ( j * dy + 0.5_wp * dy - rby(ring,rseg) )**2 + &
2163                                        ( k * dz - 0.5_wp * dz - rbz(ring,rseg) )**2
2164                            dist_v_3d = ( i * dx + 0.5_wp * dx - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2165                                        ( j * dy               - rby(ring,rseg) )**2 + &
2166                                        ( k * dz - 0.5_wp * dz - rbz(ring,rseg) )**2
2167                            dist_w_3d = ( i * dx + 0.5_wp * dx - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2168                                        ( j * dy + 0.5_wp * dy - rby(ring,rseg) )**2 + &
2169                                        ( k * dz               - rbz(ring,rseg) )**2
2170
2171!
2172!--                         3D-smearing of the forces with a polynomial function
2173!--                         (much faster than the old Gaussian function), using
2174!--                         some parameters that have been calculated in user_init.
2175!--                         The function is only similar to Gaussian function for
2176!--                         squared distances <= eps_min2:
2177                            IF ( dist_u_3d <= eps_min2 ) THEN
2178                               thrust(k,j,i) = thrust(k,j,i) +                     &
2179                                               thrust_ring(ring,rseg) *            &
2180                                               ( ( pol_a * dist_u_3d - pol_b ) *   & 
2181                                                dist_u_3d + 1.0_wp ) * eps_factor *&
2182                                                                       flag
2183                            ENDIF
2184                            IF ( dist_v_3d <= eps_min2 ) THEN
2185                               torque_y(k,j,i) = torque_y(k,j,i) +                    &
2186                                                 torque_ring_y(ring,rseg) *           &
2187                                                 ( ( pol_a * dist_v_3d - pol_b ) *    &
2188                                                  dist_v_3d + 1.0_wp ) * eps_factor * &
2189                                                                         flag
2190                            ENDIF
2191                            IF ( dist_w_3d <= eps_min2 ) THEN
2192                               torque_z(k,j,i) = torque_z(k,j,i) +                    &
2193                                                 torque_ring_z(ring,rseg) *           &
2194                                                 ( ( pol_a * dist_w_3d - pol_b ) *    &
2195                                                  dist_w_3d + 1.0_wp ) * eps_factor * &
2196                                                                         flag
2197                            ENDIF
2198
2199                         ENDDO  ! End of loop over rseg
2200                      ENDDO     ! End of loop over ring
2201             
2202!
2203!--                   Rotation of force components:
2204                      rot_tend_x(k,j,i) = rot_tend_x(k,j,i) + (                &
2205                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,1) +             &
2206                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,1) +           &
2207                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,1)             &
2208                                                              ) * flag
2209                               
2210                      rot_tend_y(k,j,i) = rot_tend_y(k,j,i) + (                &
2211                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,2) +             &
2212                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,2) +           &
2213                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,2)             &
2214                                                              ) * flag
2215                               
2216                      rot_tend_z(k,j,i) = rot_tend_z(k,j,i) + (                &
2217                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,3) +             &
2218                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,3) +           &
2219                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,3)             &
2220                                                              ) * flag                   
2221
2222                   ENDDO        ! End of loop over k
2223                ENDDO           ! End of loop over j
2224             ENDDO              ! End of loop over i
2225
2226             CALL cpu_log( log_point_s(63), 'wtm_smearing', 'stop' )         
2227                   
2228          ENDDO                  !-- end of loop over turbines
2229
2230               
2231          IF ( yaw_control )  THEN
2232!
2233!--          Allocate arrays for yaw control at first call
2234!--          Can't be allocated before dt_3d is set
2235             IF ( start_up )  THEN
2236                WDLON = NINT( 30.0_wp / dt_3d )  ! 30s running mean array
2237                ALLOCATE( wd30(1:nturbines,1:WDLON) )
2238                wd30 = 999.0_wp                  ! Set to dummy value
2239                ALLOCATE( wd30_l(1:WDLON) )
2240               
2241                WDSHO = NINT( 2.0_wp / dt_3d )   ! 2s running mean array
2242                ALLOCATE( wd2(1:nturbines,1:WDSHO) )
2243                wd2 = 999.0_wp                   ! Set to dummy value
2244                ALLOCATE( wd2_l(1:WDSHO) )
2245                start_up = .FALSE.
2246             ENDIF         
2247
2248!
2249!--          Calculate the inflow wind speed
2250!--
2251!--          Loop over number of turbines:
2252             DO inot = 1, nturbines
2253!
2254!--             Find processor at i_hub, j_hub             
2255                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) )  .AND.  ( nxr >= i_hub(inot) ) )   &
2256                   THEN
2257                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) )  .AND.  ( nyn >= j_hub(inot) ) )&
2258                      THEN
2259
2260                      u_inflow_l(inot) = u(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot))
2261
2262                      wdir_l(inot) = -1.0_wp * ATAN2(                          &
2263                         0.5_wp * ( v(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)+1) + &
2264                                    v(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)) ) , &
2265                         0.5_wp * ( u(k_hub(inot),j_hub(inot)+1,i_hub(inot)) + &
2266                                    u(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)) ) )
2267
2268                      CALL wtm_yawcontrol( inot )
2269
2270                      phi_yaw_l(inot) = phi_yaw(inot)
2271                     
2272                   ENDIF
2273                ENDIF
2274                   
2275             ENDDO                                 !-- end of loop over turbines
2276
2277!
2278!--          Transfer of information to the other cpus
2279#if defined( __parallel )         
2280             CALL MPI_ALLREDUCE( u_inflow_l, u_inflow, nturbines, MPI_REAL,    &
2281                                 MPI_SUM, comm2d, ierr )
2282             CALL MPI_ALLREDUCE( wdir_l, wdir, nturbines, MPI_REAL, MPI_SUM,   &
2283                                 comm2d, ierr )
2284             CALL MPI_ALLREDUCE( phi_yaw_l, phi_yaw, nturbines, MPI_REAL,      &
2285                                 MPI_SUM, comm2d, ierr )
2286#else
2287             u_inflow = u_inflow_l
2288             wdir     = wdir_l
2289             phi_yaw  = phi_yaw_l
2290             
2291             
2292#endif
2293             DO inot = 1, nturbines
2294!             
2295!--             Update rotor orientation               
2296                CALL wtm_rotate_rotor( inot )
2297
2298             ENDDO ! End of loop over turbines
2299                           
2300          END IF  ! end of yaw control
2301         
2302          IF ( speed_control )  THEN
2303!
2304!--          Transfer of information to the other cpus
2305!              CALL MPI_ALLREDUCE( omega_gen, omega_gen_old, nturbines,        &
2306!                                  MPI_REAL,MPI_SUM, comm2d, ierr )
2307#if defined( __parallel )   
2308             CALL MPI_ALLREDUCE( torque_gen, torque_gen_old, nturbines,        &
2309                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2310             CALL MPI_ALLREDUCE( omega_rot_l, omega_rot, nturbines,            &
2311                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2312             CALL MPI_ALLREDUCE( omega_gen_f, omega_gen_f_old, nturbines,      &
2313                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2314#else
2315             torque_gen_old  = torque_gen
2316             omega_rot       = omega_rot_l
2317             omega_gen_f_old = omega_gen_f
2318#endif
2319           
2320          ENDIF
2321
2322          DO inot = 1, nturbines
2323
2324             IF ( myid == 0 ) THEN
2325                IF ( openfile_turb_mod(400+inot)%opened )  THEN
2326                   WRITE ( 400+inot, 106 ) simulated_time, omega_rot(inot),    &
2327                             omega_gen(inot), torque_gen_old(inot),            &
2328                             torque_total(inot), pitch_add(inot),              &
2329                             torque_gen_old(inot)*omega_gen(inot)*gen_eff,     &
2330                             torque_total(inot)*omega_rot(inot)*air_dens,      &
2331                             thrust_rotor(inot),                               & 
2332                             wdir(inot)*180.0_wp/pi,                           &
2333                             (phi_yaw(inot))*180.0_wp/pi                   
2334                             
2335                ELSE
2336
2337                   WRITE ( turbine_id,'(I2.2)')  inot
2338                   OPEN ( 400+inot, FILE=( 'TURBINE_PARAMETERS'//turbine_id ), &
2339                                            FORM='FORMATTED' )
2340                   WRITE ( 400+inot, 105 ) inot
2341                   WRITE ( 400+inot, 106 ) simulated_time, omega_rot(inot),    &
2342                             omega_gen(inot), torque_gen_old(inot),            &
2343                             torque_total(inot), pitch_add(inot),              &
2344                             torque_gen_old(inot)*omega_gen(inot)*gen_eff,     &
2345                             torque_total(inot)*omega_rot(inot)*air_dens,      &
2346                             thrust_rotor(inot),                               & 
2347                             wdir(inot)*180.0_wp/pi,                           &                   
2348                             (phi_yaw(inot))*180.0_wp/pi
2349                ENDIF
2350             ENDIF
2351
2352!--          Set open flag
2353             openfile_turb_mod(400+inot)%opened = .TRUE.
2354          ENDDO                                    !-- end of loop over turbines
2355
2356       ENDIF
2357
2358       CALL cpu_log( log_point_s(61), 'wtm_forces', 'stop' )
2359       
2360!
2361!--    Formats
2362       105 FORMAT ('Turbine control data for turbine ',I2,1X,':'/ &
2363              &'----------------------------------------'/ &
2364              &'   Time   RSpeed  GSpeed  ', &
2365               'GenTorque  AeroTorque  Pitch  Power(Gen)  Power(Rot)  ',       &
2366               'RotThrust  WDirection  YawOrient')
2367
2368       106 FORMAT (F9.3,2X,F7.3,2X,F7.2,2X,F9.1,3X,F9.1,1X,F6.2,2X,F10.1,2X,   &
2369                   F10.1,1X,F9.1,2X,F7.2,1X,F7.2)
2370
2371
2372    END SUBROUTINE wtm_forces
2373
2374   
2375!------------------------------------------------------------------------------!
2376! Description:
2377! ------------
2378!> Yaw controller for the wind turbine model
2379!------------------------------------------------------------------------------!
2380    SUBROUTINE wtm_yawcontrol( inot )
2381   
2382       USE kinds
2383               
2384       IMPLICIT NONE
2385     
2386       INTEGER(iwp)             :: inot
2387       INTEGER(iwp)             :: i_wd_30
2388       REAL(wp)                 :: missal
2389
2390       i_wd_30 = 0_iwp
2391
2392
2393!--    The yaw controller computes a 30s running mean of the wind direction.
2394!--    If the difference between turbine alignment and wind direction exceeds
2395!--    5°, the turbine is yawed. The mechanism stops as soon as the 2s-running
2396!--    mean of the missalignment is smaller than 0.5°.
2397!--    Attention: If the timestep during the simulation changes significantly
2398!--    the lengths of the running means change and it does not correspond to
2399!--    30s/2s anymore.
2400!--    ! Needs to be modified for these situations !
2401!--    For wind from the east, the averaging of the wind direction could cause
2402!--    problems and the yaw controller is probably flawed. -> Routine for
2403!--    averaging needs to be improved!
2404!
2405!--    Check if turbine is not yawing
2406       IF ( .NOT. doyaw(inot) )  THEN
2407!
2408!--       Write current wind direction into array
2409          wd30_l    = wd30(inot,:)
2410          wd30_l    = CSHIFT( wd30_l, SHIFT=-1 )
2411          wd30_l(1) = wdir(inot)
2412!
2413!--       Check if array is full ( no more dummies )
2414          IF ( .NOT. ANY( wd30_l == 999.) ) THEN
2415
2416             missal = SUM( wd30_l ) / SIZE( wd30_l ) - phi_yaw(inot)
2417!
2418!--          Check if turbine is missaligned by more than max_miss
2419             IF ( ABS( missal ) > max_miss )  THEN
2420!
2421!--             Check in which direction to yaw         
2422                yawdir(inot) = SIGN( 1.0_wp, missal )
2423!
2424!--             Start yawing of turbine
2425                phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2426                doyaw(inot) = .TRUE.
2427                wd30_l = 999.  ! fill with dummies again
2428             ENDIF
2429          ENDIF
2430         
2431          wd30(inot,:) = wd30_l
2432
2433!     
2434!--    If turbine is already yawing:
2435!--    Initialize 2 s running mean and yaw until the missalignment is smaller
2436!--    than min_miss
2437
2438       ELSE
2439!
2440!--       Initialize 2 s running mean
2441          wd2_l = wd2(inot,:)
2442          wd2_l = CSHIFT( wd2_l, SHIFT = -1 )
2443          wd2_l(1) = wdir(inot)
2444!     
2445!--       Check if array is full ( no more dummies )
2446          IF ( .NOT. ANY( wd2_l == 999.0_wp ) ) THEN
2447!
2448!--          Calculate missalignment of turbine       
2449             missal = SUM( wd2_l - phi_yaw(inot) ) / SIZE( wd2_l )
2450!
2451!--          Check if missalignment is still larger than 0.5 degree and if the
2452!--          yaw direction is still right
2453             IF ( ( ABS( missal ) > min_miss )  .AND.                          &
2454                  ( yawdir(inot) == SIGN( 1.0_wp, missal ) ) )  THEN
2455!
2456!--             Continue yawing       
2457                phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2458             ELSE
2459!
2460!--             Stop yawing       
2461                doyaw(inot) = .FALSE.
2462                wd2_l = 999.0_wp ! fill with dummies again
2463             ENDIF
2464          ELSE
2465!
2466!--          Continue yawing
2467             phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2468          ENDIF
2469     
2470          wd2(inot,:) = wd2_l
2471           
2472       ENDIF
2473     
2474    END SUBROUTINE wtm_yawcontrol
2475
2476
2477!------------------------------------------------------------------------------!
2478! Description:
2479! ------------
2480!> Initialization of the speed control
2481!------------------------------------------------------------------------------!
2482    SUBROUTINE wtm_init_speed_control
2483
2484
2485       IMPLICIT NONE
2486
2487!
2488!--    If speed control is set, remaining variables and control_parameters for
2489!--    the control algorithm are calculated
2490!
2491!--    Calculate slope constant for region 15
2492       slope15   = ( slope2 * min_reg2 * min_reg2 ) / ( min_reg2 - min_reg15 )
2493!
2494!--    Calculate upper limit of slipage region
2495       vs_sysp   = rated_genspeed / 1.1_wp
2496!
2497!--    Calculate slope of slipage region
2498       slope25   = ( rated_power / rated_genspeed ) /                          &
2499                   ( rated_genspeed - vs_sysp )
2500!
2501!--    Calculate lower limit of slipage region
2502       min_reg25 = ( slope25 - SQRT( slope25 * ( slope25 - 4.0_wp *            &
2503                                                 slope2 * vs_sysp ) ) ) /      &
2504                   ( 2.0_wp * slope2 ) 
2505!
2506!--    Frequency for the simple low pass filter
2507       Fcorner   = 0.25_wp
2508!
2509!--    At the first timestep the torque is set to its maximum to prevent
2510!--    an overspeeding of the rotor
2511       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
2512          torque_gen_old(:) = max_torque_gen
2513       ENDIF 
2514     
2515    END SUBROUTINE wtm_init_speed_control
2516
2517
2518!------------------------------------------------------------------------------!
2519! Description:
2520! ------------
2521!> Simple controller for the regulation of the rotor speed
2522!------------------------------------------------------------------------------!
2523    SUBROUTINE wtm_speed_control( inot )
2524
2525
2526       IMPLICIT NONE
2527
2528       INTEGER(iwp)             :: inot
2529       
2530         
2531
2532!
2533!--    The controller is based on the fortran script from Jonkman
2534!--    et al. 2009 "Definition of a 5 MW Reference Wind Turbine for
2535!--    offshore system developement"
2536
2537!
2538!--    The generator speed is filtered by a low pass filter
2539!--    for the control of the generator torque       
2540       lp_coeff = EXP( -2.0_wp * 3.14_wp * dt_3d * Fcorner )
2541       omega_gen_f(inot) = ( 1.0_wp - lp_coeff ) * omega_gen(inot) + lp_coeff *&
2542                           omega_gen_f_old(inot)
2543
2544       IF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg15 )  THEN
2545!                       
2546!--       Region 1: Generator torque is set to zero to accelerate the rotor:
2547          torque_gen(inot) = 0
2548       
2549       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg2 )  THEN
2550!                       
2551!--       Region 1.5: Generator torque is increasing linearly with rotor speed:
2552          torque_gen(inot) = slope15 * ( omega_gen_f(inot) - min_reg15 )
2553                         
2554       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg25 )  THEN
2555!
2556!--       Region 2: Generator torque is increased by the square of the generator
2557!--                 speed to keep the TSR optimal:
2558          torque_gen(inot) = slope2 * omega_gen_f(inot) * omega_gen_f(inot)
2559       
2560       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) < rated_genspeed )  THEN
2561!                       
2562!--       Region 2.5: Slipage region between 2 and 3:
2563          torque_gen(inot) = slope25 * ( omega_gen_f(inot) - vs_sysp )
2564       
2565       ELSE
2566!                       
2567!--       Region 3: Generator torque is antiproportional to the rotor speed to
2568!--                 keep the power constant:
2569          torque_gen(inot) = rated_power / omega_gen_f(inot)
2570       
2571       ENDIF
2572!                       
2573!--    Calculate torque rate and confine with a max
2574       trq_rate = ( torque_gen(inot) - torque_gen_old(inot) ) / dt_3d
2575       trq_rate = MIN( MAX( trq_rate, -1.0_wp * max_trq_rate ), max_trq_rate )
2576!                       
2577!--    Calculate new gen torque and confine with max torque                         
2578       torque_gen(inot) = torque_gen_old(inot) + trq_rate * dt_3d
2579       torque_gen(inot) = MIN( torque_gen(inot), max_torque_gen )                                             
2580!
2581!--    Overwrite values for next timestep                       
2582       omega_rot_l(inot) = omega_gen(inot) / gear_ratio
2583
2584   
2585    END SUBROUTINE wtm_speed_control   
2586
2587
2588!------------------------------------------------------------------------------!
2589! Description:
2590! ------------
2591!> Application of the additional forces generated by the wind turbine on the
2592!> flow components (tendency terms)
2593!> Call for all grid points
2594!------------------------------------------------------------------------------!
2595    SUBROUTINE wtm_tendencies( component )
2596
2597   
2598       IMPLICIT NONE
2599
2600       INTEGER(iwp) ::  component   !< prognostic variable (u,v,w)
2601       INTEGER(iwp) ::  i           !< running index
2602       INTEGER(iwp) ::  j           !< running index
2603       INTEGER(iwp) ::  k           !< running index
2604
2605
2606       SELECT CASE ( component )
2607
2608       CASE ( 1 )
2609!
2610!--       Apply the x-component of the force to the u-component of the flow:
2611          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2612             DO  i = nxlg, nxrg
2613                DO  j = nysg, nyng
2614                   DO  k = nzb+1, MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2615!
2616!--                   Calculate the thrust generated by the nacelle and the tower
2617                      tend_nac_x = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *               &
2618                                      SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) )     
2619                      tend_tow_x   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *             &
2620                                         SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) ) 
2621                                               
2622                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_x(k,j,i)        &
2623                                  - tend_nac_x - tend_tow_x )                  &
2624                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2625                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2626                   ENDDO
2627                ENDDO
2628             ENDDO
2629          ENDIF
2630
2631       CASE ( 2 )
2632!
2633!--       Apply the y-component of the force to the v-component of the flow:
2634          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2635             DO  i = nxlg, nxrg
2636                DO  j = nysg, nyng
2637                   DO  k = nzb+1, MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2638                      tend_nac_y = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *               &
2639                                         SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )     
2640                      tend_tow_y   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *             &
2641                                         SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )                     
2642                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_y(k,j,i)        &
2643                                  - tend_nac_y - tend_tow_y )                  &
2644                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2645                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
2646                   ENDDO
2647                ENDDO
2648             ENDDO
2649          ENDIF
2650
2651       CASE ( 3 )
2652!
2653!--       Apply the z-component of the force to the w-component of the flow:
2654          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2655             DO  i = nxlg, nxrg
2656                DO  j = nysg, nyng
2657                   DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2658                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - rot_tend_z(k,j,i)            &
2659                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2660                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
2661                   ENDDO
2662                ENDDO
2663             ENDDO
2664          ENDIF
2665
2666
2667       CASE DEFAULT
2668
2669          WRITE( message_string, * ) 'unknown prognostic variable: ', component
2670          CALL message( 'wtm_tendencies', 'PA04??', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
2671
2672       END SELECT
2673
2674
2675    END SUBROUTINE wtm_tendencies
2676
2677
2678!------------------------------------------------------------------------------!
2679! Description:
2680! ------------
2681!> Application of the additional forces generated by the wind turbine on the
2682!> flow components (tendency terms)
2683!> Call for grid point i,j
2684!------------------------------------------------------------------------------!
2685    SUBROUTINE wtm_tendencies_ij( i, j, component )
2686
2687
2688       IMPLICIT NONE
2689
2690       INTEGER(iwp) ::  component   !< prognostic variable (u,v,w)
2691       INTEGER(iwp) ::  i           !< running index
2692       INTEGER(iwp) ::  j           !< running index
2693       INTEGER(iwp) ::  k           !< running index
2694
2695       SELECT CASE ( component )
2696
2697       CASE ( 1 )
2698!
2699!--       Apply the x-component of the force to the u-component of the flow:
2700          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2701             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2702!
2703!--             Calculate the thrust generated by the nacelle and the tower
2704                tend_nac_x = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *                     &
2705                                   SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) )     
2706                tend_tow_x   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *                   &
2707                                   SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) ) 
2708                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_x(k,j,i)              &
2709                            - tend_nac_x - tend_tow_x )                        &
2710                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2711                                            BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2712             ENDDO
2713          ENDIF
2714
2715       CASE ( 2 )
2716!
2717!--       Apply the y-component of the force to the v-component of the flow:
2718          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2719             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2720                tend_nac_y = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *                     &
2721                                   SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )     
2722                tend_tow_y   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *                   &
2723                                   SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )                     
2724                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_y(k,j,i)              &
2725                            - tend_nac_y - tend_tow_y )                        &
2726                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2727                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
2728                ENDDO
2729          ENDIF
2730
2731       CASE ( 3 )
2732!
2733!--       Apply the z-component of the force to the w-component of the flow:
2734          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2735             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2736                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - rot_tend_z(k,j,i)                  &
2737                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2738                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
2739             ENDDO
2740          ENDIF
2741
2742
2743       CASE DEFAULT
2744
2745          WRITE( message_string, * ) 'unknown prognostic variable: ', component
2746          CALL message( 'wtm_tendencies', 'PA04??', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
2747
2748       END SELECT
2749
2750
2751    END SUBROUTINE wtm_tendencies_ij
2752
2753 END MODULE wind_turbine_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.