source: palm/trunk/SOURCE/wind_turbine_model_mod.f90 @ 2836

Last change on this file since 2836 was 2836, checked in by Giersch, 4 years ago

Bugfix in interpolation of lift and drag coefficients during initialization, default value of dt_dopr_listing is set to zero to allow header output

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 117.5 KB
Line 
1!> @file wind_turbine_model_mod.f90
2!------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
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 2009-2018 Carl von Ossietzky Universitaet Oldenburg
18! Copyright 1997-2018 Leibniz Universitaet Hannover
19!------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! -----------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: wind_turbine_model_mod.f90 2836 2018-02-26 13:40:05Z Giersch $
28! Bugfix in interpolation of lift and drag coefficients on fine grid of radius
29! segments and angles of attack, speed-up of the initialization of the wind
30! turbine model
31!
32! 2792 2018-02-07 06:45:29Z Giersch
33! omega_rot_l has to be calculated after determining the indices for the hub in
34! case of restart runs
35!
36! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
37! wind_turbine_prerun flag is used to define if module
38! related parameters were outputted as restart data
39!
40! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
41! Corrected "Former revisions" section
42!
43! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
44! Change in file header (GPL part)
45!
46! 2669 2017-12-06 16:03:27Z raasch
47! filename of turbine output changed to WTM_OUTPUT_DATA. File extension now
48! includes the nest domain number. Turbine extension changed to "_T##"
49!
50! 2576 2017-10-24 13:49:46Z Giersch
51! Definition of a new function called wtm_skip_var_list to skip module
52! parameters during reading restart data
53!
54! 2563 2017-10-19 15:36:10Z Giersch
55! Restart runs with wind turbine model are possible now. For this purpose, two
56! new subroutines wtm_write_restart_data and wtm_read_restart_data had to be
57! defined
58!
59! 2553 2017-10-18 08:03:45Z Giersch
60! Bugfix of vertical loop in wtm_tendencies to account for different turbine
61! heights, bugfix of the interpolation of the u-component concerning the
62! vertical index and further small adjustments of the programming style
63!
64! 2410 2017-09-06 08:16:30Z Giersch
65! Revise error message PA0462
66!
67! 2349 2017-08-10 15:44:04Z Giersch
68! Add parameter pitch_rate to namelist and revise/add error messages
69!
70! 2343 2017-08-08 11:28:43Z Giersch
71! Unit correction in Doxygen comments
72!
73! 2323 2017-07-26 12:57:38Z Giersch
74! Change unit number of file WTM_DATA from 201 to 90
75
76! 2322 2017-07-26 08:30:28Z Giersch
77! Bugfix of error message and assign error numbers
78!
79! 2257 2017-06-07 14:07:05Z witha
80! Bugfix: turb_cl_tab and turb_cd_tab were set to zero before being allocated
81!
82! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
83!
84! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
85! Adjustments to new topography concept
86!
87! 2152 2017-02-17 13:27:24Z lvollmer
88! Bugfix in subroutine wtm_read_blade_tables
89! Addition of a tip loss model
90!
91! 2015 2016-09-28 08:45:18Z lvollmer
92! Bugfix of pitch control
93!
94! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
95! Forced header and separation lines into 80 columns
96!
97! 1929 2016-06-09 16:25:25Z suehring
98! Bugfix: added preprocessor directives for parallel and serial mode
99!
100! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
101! Initial revision
102!
103!
104! Description:
105! ------------
106!> This module calculates the effect of wind turbines on the flow fields. The
107!> initial version contains only the advanced actuator disk with rotation method
108!> (ADM-R).
109!> The wind turbines include the tower effect, can be yawed and tilted.
110!> The wind turbine model includes controllers for rotational speed, pitch and
111!> yaw.
112!> Currently some specifications of the NREL 5 MW reference turbine
113!> are hardcoded whereas most input data comes from separate files (currently
114!> external, planned to be included as namelist which will be read in
115!> automatically).
116!>
117!> @todo Revise code according to PALM Coding Standard
118!> @todo Implement ADM and ALM turbine models
119!> @todo Generate header information
120!> @todo Implement further parameter checks and error messages
121!> @todo Revise and add code documentation
122!> @todo Output turbine parameters as timeseries
123!> @todo Include additional output variables
124!> @todo Revise smearing the forces for turbines in yaw
125!> @todo Revise nacelle and tower parameterization
126!> @todo Allow different turbine types in one simulation
127!
128!------------------------------------------------------------------------------!
129 MODULE wind_turbine_model_mod
130
131    USE arrays_3d,                                                             &
132        ONLY:  tend, u, v, w, zu, zw
133
134    USE constants,                                                             &
135        ONLY:  pi
136
137    USE control_parameters,                                                    &
138        ONLY:  coupling_char, dt_3d, dz, message_string, simulated_time,       &
139               wind_turbine, wind_turbine_prerun, initializing_actions
140
141    USE cpulog,                                                                &
142        ONLY:  cpu_log, log_point_s
143
144    USE grid_variables,                                                        &
145        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
146
147    USE indices,                                                               &
148        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nz,   &
149               nzb, nzt, wall_flags_0
150
151    USE kinds
152
153    USE pegrid
154
155
156    IMPLICIT NONE
157
158    PRIVATE
159
160!
161!-- Variables specified in the namelist wind_turbine_par
162
163    INTEGER(iwp) ::  nairfoils = 8   !< number of airfoils of the used turbine model (for ADM-R and ALM)
164    INTEGER(iwp) ::  nturbines = 1   !< number of turbines
165
166    LOGICAL ::  pitch_control = .FALSE.   !< switch for use of pitch controller
167    LOGICAL ::  speed_control = .FALSE.   !< switch for use of speed controller
168    LOGICAL ::  yaw_control   = .FALSE.   !< switch for use of yaw controller
169    LOGICAL ::  tl_cor        = .FALSE.    !< switch for use of tip loss correct.
170
171    REAL(wp) ::  segment_length  = 1.0_wp          !< length of the segments, the rotor area is divided into
172                                                   !< (in tangential direction, as factor of MIN(dx,dy,dz))
173    REAL(wp) ::  segment_width   = 0.5_wp          !< width of the segments, the rotor area is divided into
174                                                   !< (in radial direction, as factor of MIN(dx,dy,dz))
175    REAL(wp) ::  time_turbine_on = 0.0_wp          !< time at which turbines are started
176    REAL(wp) ::  tilt            = 0.0_wp          !< vertical tilt of the rotor [degree] ( positive = backwards )
177
178    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  dtow             = 0.0_wp  !< tower diameter [m]
179    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_rot        = 0.9_wp  !< inital or constant rotor speed [rad/s]
180    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  phi_yaw          = 0.0_wp  !< yaw angle [degree] ( clockwise, 0 = facing west )
181    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  pitch_add        = 0.0_wp  !< constant pitch angle
182    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcx        = 9999999.9_wp  !< position of hub in x-direction
183    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcy        = 9999999.9_wp  !< position of hub in y-direction
184    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcz        = 9999999.9_wp  !< position of hub in z-direction
185    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rnac             = 0.0_wp  !< nacelle diameter [m]
186    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rr              = 63.0_wp  !< rotor radius [m]
187    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  turb_cd_nacelle = 0.85_wp  !< drag coefficient for nacelle
188    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  turb_cd_tower    = 1.2_wp  !< drag coefficient for tower
189
190!
191!-- Variables specified in the namelist for speed controller
192!-- Default values are from the NREL 5MW research turbine (Jonkman, 2008)
193
194    REAL(wp) ::  rated_power    = 5296610.0_wp    !< rated turbine power [W]
195    REAL(wp) ::  gear_ratio     = 97.0_wp         !< Gear ratio from rotor to generator
196    REAL(wp) ::  inertia_rot    = 34784179.0_wp   !< Inertia of the rotor [kg*m2]
197    REAL(wp) ::  inertia_gen    = 534.116_wp      !< Inertia of the generator [kg*m2]
198    REAL(wp) ::  gen_eff        = 0.944_wp        !< Electric efficiency of the generator
199    REAL(wp) ::  gear_eff       = 1.0_wp          !< Loss between rotor and generator
200    REAL(wp) ::  air_dens       = 1.225_wp        !< Air density to convert to W [kg/m3]
201    REAL(wp) ::  rated_genspeed = 121.6805_wp     !< Rated generator speed [rad/s]
202    REAL(wp) ::  max_torque_gen = 47402.91_wp     !< Maximum of the generator torque [Nm]
203    REAL(wp) ::  slope2         = 2.332287_wp     !< Slope constant for region 2
204    REAL(wp) ::  min_reg2       = 91.21091_wp     !< Lower generator speed boundary of region 2 [rad/s]
205    REAL(wp) ::  min_reg15      = 70.16224_wp     !< Lower generator speed boundary of region 1.5 [rad/s]
206    REAL(wp) ::  max_trq_rate   = 15000.0_wp      !< Max generator torque increase [Nm/s]
207    REAL(wp) ::  pitch_rate     = 8.0_wp          !< Max pitch rate [degree/s]
208
209
210!
211!-- Variables specified in the namelist for yaw control
212
213    REAL(wp) ::  yaw_speed = 0.005236_wp   !< speed of the yaw actuator [rad/s]
214    REAL(wp) ::  max_miss = 0.08726_wp     !< maximum tolerated yaw missalignment [rad]
215    REAL(wp) ::  min_miss = 0.008726_wp    !< minimum yaw missalignment for which the actuator stops [rad]
216
217!
218!-- Set flag for output files TURBINE_PARAMETERS
219    TYPE file_status
220       LOGICAL ::  opened, opened_before
221    END TYPE file_status
222   
223    TYPE(file_status), DIMENSION(500) :: openfile_turb_mod =                   &
224                                         file_status(.FALSE.,.FALSE.)
225
226!
227!-- Variables for initialization of the turbine model
228
229    INTEGER(iwp) ::  inot         !< turbine loop index (turbine id)
230    INTEGER(iwp) ::  nsegs_max    !< maximum number of segments (all turbines, required for allocation of arrays)
231    INTEGER(iwp) ::  nrings_max   !< maximum number of rings (all turbines, required for allocation of arrays)
232    INTEGER(iwp) ::  ring         !< ring loop index (ring number)
233    INTEGER(iwp) ::  rr_int       !<
234    INTEGER(iwp) ::  upper_end    !<
235
236    INTEGER(iwp), DIMENSION(1) ::  lct   !<
237
238    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  i_hub     !< index belonging to x-position of the turbine
239    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  i_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (x-direction)
240    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  j_hub     !< index belonging to y-position of the turbine
241    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  j_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (y-direction)
242    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_hub     !< index belonging to hub height
243    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (z-direction)
244    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nrings    !< number of rings per turbine
245    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nsegs_total !< total number of segments per turbine
246
247    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  nsegs   !< number of segments per ring and turbine
248
249!
250!-  parameters for the smearing from the rotor to the cartesian grid   
251    REAL(wp) ::  pol_a            !< parameter for the polynomial smearing fct
252    REAL(wp) ::  pol_b            !< parameter for the polynomial smearing fct
253    REAL(wp) ::  delta_t_factor   !<
254    REAL(wp) ::  eps_factor       !< 
255    REAL(wp) ::  eps_min          !<
256    REAL(wp) ::  eps_min2         !<
257    REAL(wp) ::  sqrt_arg         !<
258
259!
260!-- Variables for the calculation of lift and drag coefficients
261    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  ard     !<
262    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  crd     !<
263    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  delta_r !< radial segment length
264    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  lrd     !<
265   
266    REAL(wp) ::  accu_cl_cd_tab = 0.1_wp  !< Accuracy of the interpolation of
267                                          !< the lift and drag coeff [deg]
268
269    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: turb_cd_tab   !< table of the blade drag coefficient
270    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: turb_cl_tab   !< table of the blade lift coefficient
271
272    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  nac_cd_surf  !< 3d field of the tower drag coefficient
273    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  tow_cd_surf  !< 3d field of the nacelle drag coefficient
274
275!
276!-- Variables for the calculation of the forces
277     
278    REAL(wp) ::  cur_r                       !<
279    REAL(wp) ::  phi_rotor                   !<
280    REAL(wp) ::  pre_factor                  !< 
281    REAL(wp) ::  torque_seg                  !<
282    REAL(wp) ::  u_int_l                     !<
283    REAL(wp) ::  u_int_u                     !<
284    REAL(wp) ::  u_rot                       !<
285    REAL(wp) ::  v_int_l                     !<
286    REAL(wp) ::  v_int_u                     !<
287    REAL(wp) ::  w_int_l                     !<
288    REAL(wp) ::  w_int_u                     !<
289!
290!-  Tendencies from the nacelle and tower thrust
291    REAL(wp) ::  tend_nac_x = 0.0_wp  !<
292    REAL(wp) ::  tend_tow_x = 0.0_wp  !<
293    REAL(wp) ::  tend_nac_y = 0.0_wp  !<
294    REAL(wp) ::  tend_tow_y = 0.0_wp  !<
295
296    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  alpha_attack !<
297    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  chord        !<
298    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  phi_rel      !<
299    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  torque_total !<
300    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  thrust_rotor !<
301    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  turb_cl      !<
302    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  turb_cd      !<
303    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vrel         !<
304    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vtheta       !<
305
306    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  rbx, rby, rbz     !< coordinates of the blade elements
307    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  rotx, roty, rotz  !< normal vectors to the rotor coordinates
308
309!
310!-  Fields for the interpolation of velocities on the rotor grid
311    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_int       !<
312    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_int_1_l   !<
313    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_int       !<
314    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_int_1_l   !<
315    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  w_int       !<
316    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  w_int_1_l   !<
317   
318!
319!-  rotor tendencies on the segments
320    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: thrust_seg   !<
321    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: torque_seg_y !<
322    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: torque_seg_z !<   
323
324!
325!-  rotor tendencies on the rings
326    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  thrust_ring       !<
327    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  torque_ring_y     !<
328    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  torque_ring_z     !<
329   
330!
331!-  rotor tendencies on rotor grids for all turbines
332    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  thrust      !<
333    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  torque_y    !<
334    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  torque_z    !<
335
336!
337!-  rotor tendencies on coordinate grid
338    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_x  !<
339    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_y  !<
340    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_z  !<
341!   
342!-  variables for the rotation of the rotor coordinates       
343    REAL(wp), DIMENSION(1:100,1:3,1:3) ::  rot_coord_trans  !< matrix for rotation of rotor coordinates
344   
345    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_rad   !<
346    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_azi   !<
347    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_nor   !<
348    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  re              !<
349    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rea             !<
350    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  ren             !<
351    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rote            !<
352    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rota            !<
353    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rotn            !<
354
355!
356!-- Fixed variables for the speed controller
357
358    LOGICAL  ::  start_up = .TRUE.   !<
359   
360    REAL(wp) ::  Fcorner             !< corner freq for the controller low pass filter
361    REAL(wp) ::  min_reg25           !< min region 2.5
362    REAL(wp) ::  om_rate             !< rotor speed change
363    REAL(wp) ::  slope15             !< slope in region 1.5
364    REAL(wp) ::  slope25             !< slope in region 2.5
365    REAL(wp) ::  trq_rate            !< torque change
366    REAL(wp) ::  vs_sysp             !<
367    REAL(wp) ::  lp_coeff            !< coeff for the controller low pass filter
368
369    REAL(wp), DIMENSION(100) :: omega_rot_l = 0.0_wp !< local rot speed [rad/s]
370
371!
372!-- Fixed variables for the yaw controller
373
374    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  yawdir           !< direction to yaw
375    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  phi_yaw_l        !< local (cpu) yaw angle
376    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wd30_l           !< local (cpu) long running avg of the wd
377    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wd2_l            !< local (cpu) short running avg of the wd
378    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wdir             !< wind direction at hub
379    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  u_inflow         !< wind speed at hub
380    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wdir_l           !<
381    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  u_inflow_l       !<
382    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  wd30             !<
383    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  wd2              !<
384    LOGICAL,  DIMENSION(1:100)            ::  doyaw = .FALSE.  !<
385    INTEGER(iwp)                          ::  WDLON            !<
386    INTEGER(iwp)                          ::  WDSHO            !<
387
388!
389!-- Variables that have to be saved in the binary file for restarts
390    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  pitch_add_old           = 0.0_wp  !< old constant pitch angle
391    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen               = 0.0_wp  !< curr. generator speed
392    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_f             = 0.0_wp  !< filtered generator speed
393    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_old           = 0.0_wp  !< last generator speed
394    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_f_old         = 0.0_wp  !< last filtered generator speed
395    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  torque_gen              = 0.0_wp  !< generator torque
396    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  torque_gen_old          = 0.0_wp  !< last generator torque
397
398
399    SAVE
400
401
402    INTERFACE wtm_parin
403       MODULE PROCEDURE wtm_parin
404    END INTERFACE wtm_parin
405
406    INTERFACE wtm_skip_var_list
407       MODULE PROCEDURE wtm_skip_var_list
408    END INTERFACE wtm_skip_var_list
409
410    INTERFACE wtm_write_restart_data
411       MODULE PROCEDURE wtm_write_restart_data
412    END INTERFACE wtm_write_restart_data
413
414    INTERFACE wtm_read_restart_data
415       MODULE PROCEDURE wtm_read_restart_data
416    END INTERFACE wtm_read_restart_data
417   
418    INTERFACE wtm_check_parameters
419       MODULE PROCEDURE wtm_check_parameters
420    END INTERFACE wtm_check_parameters
421       
422    INTERFACE wtm_init_arrays
423       MODULE PROCEDURE wtm_init_arrays
424    END INTERFACE wtm_init_arrays
425
426    INTERFACE wtm_init
427       MODULE PROCEDURE wtm_init
428    END INTERFACE wtm_init
429   
430    INTERFACE wtm_read_blade_tables
431       MODULE PROCEDURE wtm_read_blade_tables
432    END INTERFACE wtm_read_blade_tables
433           
434    INTERFACE wtm_forces
435       MODULE PROCEDURE wtm_forces
436    END INTERFACE wtm_forces
437
438    INTERFACE wtm_yawcontrol
439       MODULE PROCEDURE wtm_yawcontrol
440    END INTERFACE wtm_yawcontrol
441   
442    INTERFACE wtm_rotate_rotor
443       MODULE PROCEDURE wtm_rotate_rotor
444    END INTERFACE wtm_rotate_rotor
445   
446    INTERFACE wtm_speed_control
447       MODULE PROCEDURE wtm_init_speed_control
448       MODULE PROCEDURE wtm_speed_control
449    END INTERFACE wtm_speed_control
450
451    INTERFACE wtm_tendencies
452       MODULE PROCEDURE wtm_tendencies
453       MODULE PROCEDURE wtm_tendencies_ij
454    END INTERFACE wtm_tendencies
455   
456   
457    PUBLIC wtm_check_parameters, wtm_forces, wtm_init, wtm_init_arrays,        &
458           wtm_parin, wtm_write_restart_data, wtm_tendencies, wtm_skip_var_list
459
460
461 CONTAINS
462
463
464!------------------------------------------------------------------------------!
465! Description:
466! ------------
467!> Parin for &wind_turbine_par for wind turbine model
468!------------------------------------------------------------------------------!
469    SUBROUTINE wtm_parin
470
471
472       IMPLICIT NONE
473       
474       INTEGER(iwp) ::  ierrn       !<
475
476       CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
477
478       NAMELIST /wind_turbine_par/   air_dens, dtow, gear_eff, gear_ratio,     &
479                                  gen_eff, inertia_gen, inertia_rot, max_miss, &
480                                  max_torque_gen, max_trq_rate, min_miss,      &
481                                  min_reg15, min_reg2, nairfoils, nturbines,   &
482                                  omega_rot, phi_yaw, pitch_add, pitch_control,&
483                                  rated_genspeed, rated_power, rcx, rcy, rcz,  &
484                                  rnac, rr, segment_length, segment_width,     &
485                                  slope2, speed_control, tilt, time_turbine_on,&
486                                  turb_cd_nacelle, turb_cd_tower, pitch_rate,  &
487                                  yaw_control, yaw_speed, tl_cor
488
489!
490!--    Try to find wind turbine model package
491       REWIND ( 11 )
492       line = ' '
493       DO  WHILE ( INDEX( line, '&wind_turbine_par' ) == 0 )
494          READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
495       ENDDO
496       BACKSPACE ( 11 )
497
498!
499!--    Read user-defined namelist
500       READ ( 11, wind_turbine_par, IOSTAT=ierrn )
501
502       IF ( ierrn < 0 )  THEN
503          message_string = 'no wind_turbine_par-NAMELIST found: '  //          &
504                           'End of file has reached'
505          CALL message( 'wtm_parin', 'PA0460', 1, 2, 0, 6, 0 )
506       ELSEIF ( ierrn > 0 ) THEN
507          message_string = 'errors in wind_turbine_par-NAMELIST: '  //          &
508                           'some variables for steering may not be properly set'
509          CALL message( 'wtm_parin', 'PA0466', 1, 2, 0, 6, 0 )               
510       ENDIF
511       
512!
513!--    Set flag that indicates that the wind turbine model is switched on
514       wind_turbine = .TRUE.
515
516       IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) THEN
517          CALL wtm_read_restart_data
518       ENDIF
519
520 10    CONTINUE   ! TBD Change from continue, mit ierrn machen
521
522
523    END SUBROUTINE wtm_parin
524
525
526!------------------------------------------------------------------------------!
527! Description:
528! ------------
529!> Skipping the wind turbine module variables from restart-file (binary format).
530!------------------------------------------------------------------------------!
531   SUBROUTINE wtm_skip_var_list
532       
533      IMPLICIT NONE
534           
535      CHARACTER (LEN=1)  ::  cdum
536      CHARACTER (LEN=30) ::  variable_chr
537           
538      READ ( 13 )  variable_chr
539
540      DO  WHILE ( TRIM( variable_chr ) /= '*** end wtm ***' )
541
542         READ ( 13 )  cdum
543         READ ( 13 )  variable_chr
544
545      ENDDO   
546           
547   END SUBROUTINE wtm_skip_var_list
548
549
550!------------------------------------------------------------------------------!
551! Description:
552! ------------
553!> This routine writes the respective restart data.
554!------------------------------------------------------------------------------!
555    SUBROUTINE wtm_write_restart_data 
556
557       IMPLICIT NONE
558
559       wind_turbine_prerun = .TRUE.
560       
561       WRITE ( 14 )  'omega_gen                     '
562       WRITE ( 14 )  omega_gen
563       WRITE ( 14 )  'omega_gen_f                   '
564       WRITE ( 14 )  omega_gen_f
565       WRITE ( 14 )  'omega_gen_f_old               '
566       WRITE ( 14 )  omega_gen_f_old
567       WRITE ( 14 )  'omega_gen_old                 '
568       WRITE ( 14 )  omega_gen_old
569       WRITE ( 14 )  'omega_rot                     '
570       WRITE ( 14 )  omega_rot
571       WRITE ( 14 )  'phi_yaw                       '
572       WRITE ( 14 )  phi_yaw(:)
573       WRITE ( 14 )  'pitch_add                     '
574       WRITE ( 14 )  pitch_add
575       WRITE ( 14 )  'pitch_add_old                 '
576       WRITE ( 14 )  pitch_add_old
577       WRITE ( 14 )  'torque_gen                    '
578       WRITE ( 14 )  torque_gen
579       WRITE ( 14 )  'torque_gen_old                '
580       WRITE ( 14 )  torque_gen_old
581       WRITE ( 14 )  'wind_turbine_prerun           '
582       WRITE ( 14 )  wind_turbine_prerun
583     
584       WRITE ( 14 )  '*** end wtm ***               '
585       
586    END SUBROUTINE wtm_write_restart_data   
587
588
589!------------------------------------------------------------------------------!
590! Description:
591! ------------
592!> This routine reads the respective restart data.
593!------------------------------------------------------------------------------!
594 SUBROUTINE wtm_read_restart_data
595
596
597    IMPLICIT NONE
598
599    CHARACTER (LEN=30) ::  variable_chr  !< dummy variable to read string
600
601
602    READ ( 13 )  variable_chr
603    DO  WHILE ( TRIM( variable_chr ) /= '*** end wtm ***' )
604
605       SELECT CASE ( TRIM( variable_chr ) )
606
607          CASE ( 'omega_gen' )
608             READ ( 13 )  omega_gen
609          CASE ( 'omega_gen_f' )
610             READ ( 13 )  omega_gen_f
611          CASE ( 'omega_gen_f_old' )
612             READ ( 13 )  omega_gen_f_old
613          CASE ( 'omega_gen_old' )
614             READ ( 13 )  omega_gen_old
615          CASE ( 'omega_rot' )
616             READ ( 13 )  omega_rot
617          CASE ( 'phi_yaw' )
618             READ ( 13 )  phi_yaw
619          CASE ( 'pitch_add' )
620             READ ( 13 )  pitch_add
621          CASE ( 'pitch_add_old' )
622             READ ( 13 )  pitch_add_old
623          CASE ( 'torque_gen' )
624             READ ( 13 )  torque_gen
625          CASE ( 'torque_gen_old' )
626             READ ( 13 )  torque_gen_old
627          CASE ( 'wind_turbine_prerun' )
628             READ ( 13 )  wind_turbine_prerun
629
630       END SELECT
631       
632       READ ( 13 )  variable_chr
633
634    ENDDO
635
636 END SUBROUTINE wtm_read_restart_data
637
638
639!------------------------------------------------------------------------------!
640! Description:
641! ------------
642!> Check namelist parameter
643!------------------------------------------------------------------------------!
644    SUBROUTINE wtm_check_parameters
645
646   
647       IMPLICIT NONE
648   
649       IF ( ( .NOT.speed_control ) .AND. pitch_control )  THEN
650          message_string = 'pitch_control = .TRUE. requires '//                &
651                           'speed_control = .TRUE.'
652          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0461', 1, 2, 0, 6, 0 )
653       ENDIF
654       
655       IF ( ANY( omega_rot(1:nturbines) < 0.0 ) )  THEN
656          message_string = 'omega_rot < 0.0, Please set omega_rot to '     // &
657                           'a value equal or larger than zero'
658          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0462', 1, 2, 0, 6, 0 )
659       ENDIF
660       
661       
662       IF ( ANY( rcx(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) .OR.                       &
663            ANY( rcy(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) .OR.                       &
664            ANY( rcz(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) )  THEN
665         
666          message_string = 'rcx, rcy, rcz '                                 // &
667                           'have to be given for each turbine.'         
668          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0463', 1, 2, 0, 6, 0 )         
669         
670       ENDIF
671
672 
673    END SUBROUTINE wtm_check_parameters
674   
675                                       
676!------------------------------------------------------------------------------!
677! Description:
678! ------------
679!> Allocate wind turbine model arrays
680!------------------------------------------------------------------------------!
681    SUBROUTINE wtm_init_arrays
682
683
684       IMPLICIT NONE
685
686       REAL(wp) ::  delta_r_factor   !<
687       REAL(wp) ::  delta_r_init     !<
688
689!
690!--    To be able to allocate arrays with dimension of rotor rings and segments,
691!--    the maximum possible numbers of rings and segments have to be calculated:
692
693       ALLOCATE( nrings(1:nturbines) )
694       ALLOCATE( delta_r(1:nturbines) )
695
696       nrings(:)  = 0
697       delta_r(:) = 0.0_wp
698
699!
700!--    Thickness (radial) of each ring and length (tangential) of each segment:
701       delta_r_factor = segment_width
702       delta_t_factor = segment_length
703       delta_r_init   = delta_r_factor * MIN( dx, dy, dz)
704
705       DO inot = 1, nturbines
706!
707!--       Determine number of rings:
708          nrings(inot) = NINT( rr(inot) / delta_r_init )
709
710          delta_r(inot) = rr(inot) / nrings(inot)
711
712       ENDDO
713
714       nrings_max = MAXVAL(nrings)
715
716       ALLOCATE( nsegs(1:nrings_max,1:nturbines) )
717       ALLOCATE( nsegs_total(1:nturbines) )
718
719       nsegs(:,:)     = 0
720       nsegs_total(:) = 0
721
722
723       DO inot = 1, nturbines
724          DO ring = 1, nrings(inot)
725!
726!--          Determine number of segments for each ring:
727             nsegs(ring,inot) = MAX( 8, CEILING( delta_r_factor * pi *         &
728                                                 ( 2.0_wp * ring - 1.0_wp ) /  &
729                                                 delta_t_factor ) )
730          ENDDO
731!
732!--       Total sum of all rotor segments:
733          nsegs_total(inot) = SUM( nsegs(:,inot) )
734
735       ENDDO
736
737!
738!--    Maximum number of segments per ring:
739       nsegs_max = MAXVAL(nsegs)
740
741!!
742!!--    TODO: Folgendes im Header ausgeben!
743!       IF ( myid == 0 )  THEN
744!          PRINT*, 'nrings(1) = ', nrings(1)
745!          PRINT*, '--------------------------------------------------'
746!          PRINT*, 'nsegs(:,1) = ', nsegs(:,1)
747!          PRINT*, '--------------------------------------------------'
748!          PRINT*, 'nrings_max = ', nrings_max
749!          PRINT*, 'nsegs_max = ', nsegs_max
750!          PRINT*, 'nsegs_total(1) = ', nsegs_total(1)
751!       ENDIF
752
753
754!
755!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of turbines)
756       ALLOCATE( i_hub(1:nturbines) )
757       ALLOCATE( i_smear(1:nturbines) )
758       ALLOCATE( j_hub(1:nturbines) )
759       ALLOCATE( j_smear(1:nturbines) )
760       ALLOCATE( k_hub(1:nturbines) )
761       ALLOCATE( k_smear(1:nturbines) )
762       ALLOCATE( torque_total(1:nturbines) )
763       ALLOCATE( thrust_rotor(1:nturbines) )
764
765!
766!--    Allocation of the 1D arrays for yaw control
767       ALLOCATE( yawdir(1:nturbines) )
768       ALLOCATE( u_inflow(1:nturbines) )
769       ALLOCATE( wdir(1:nturbines) )
770       ALLOCATE( u_inflow_l(1:nturbines) )
771       ALLOCATE( wdir_l(1:nturbines) )
772       ALLOCATE( phi_yaw_l(1:nturbines) )
773       
774!
775!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of rotor segments)
776       ALLOCATE( alpha_attack(1:nsegs_max) )
777       ALLOCATE( chord(1:nsegs_max) )
778       ALLOCATE( phi_rel(1:nsegs_max) )
779       ALLOCATE( thrust_seg(1:nsegs_max) )
780       ALLOCATE( torque_seg_y(1:nsegs_max) )
781       ALLOCATE( torque_seg_z(1:nsegs_max) )
782       ALLOCATE( turb_cd(1:nsegs_max) )
783       ALLOCATE( turb_cl(1:nsegs_max) )
784       ALLOCATE( vrel(1:nsegs_max) )
785       ALLOCATE( vtheta(1:nsegs_max) )
786
787!
788!--    Allocate 2D arrays (dimension = number of rotor rings and segments)
789       ALLOCATE( rbx(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
790       ALLOCATE( rby(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
791       ALLOCATE( rbz(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
792       ALLOCATE( thrust_ring(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
793       ALLOCATE( torque_ring_y(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
794       ALLOCATE( torque_ring_z(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
795
796!
797!--    Allocate additional 2D arrays
798       ALLOCATE( rotx(1:nturbines,1:3) )
799       ALLOCATE( roty(1:nturbines,1:3) )
800       ALLOCATE( rotz(1:nturbines,1:3) )
801
802!
803!--    Allocate 3D arrays (dimension = number of grid points)
804       ALLOCATE( nac_cd_surf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
805       ALLOCATE( rot_tend_x(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
806       ALLOCATE( rot_tend_y(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
807       ALLOCATE( rot_tend_z(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
808       ALLOCATE( thrust(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
809       ALLOCATE( torque_y(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
810       ALLOCATE( torque_z(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
811       ALLOCATE( tow_cd_surf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
812
813!
814!--    Allocate additional 3D arrays
815       ALLOCATE( u_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
816       ALLOCATE( u_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
817       ALLOCATE( v_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
818       ALLOCATE( v_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
819       ALLOCATE( w_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
820       ALLOCATE( w_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
821
822!
823!--    All of the arrays are initialized with a value of zero:
824       i_hub(:)                 = 0
825       i_smear(:)               = 0
826       j_hub(:)                 = 0
827       j_smear(:)               = 0
828       k_hub(:)                 = 0
829       k_smear(:)               = 0
830       
831       torque_total(:)          = 0.0_wp
832       thrust_rotor(:)          = 0.0_wp
833
834       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
835          omega_gen(:)             = 0.0_wp
836          omega_gen_old(:)         = 0.0_wp
837          omega_gen_f(:)           = 0.0_wp
838          omega_gen_f_old(:)       = 0.0_wp
839          pitch_add_old(:)         = 0.0_wp
840          torque_gen(:)            = 0.0_wp
841          torque_gen_old(:)        = 0.0_wp
842       ENDIF
843
844       yawdir(:)                = 0.0_wp
845       wdir(:)                  = 0.0_wp
846       u_inflow(:)              = 0.0_wp
847
848!
849!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of rotor segments)
850       alpha_attack(:)          = 0.0_wp
851       chord(:)                 = 0.0_wp
852       phi_rel(:)               = 0.0_wp
853       thrust_seg(:)            = 0.0_wp
854       torque_seg_y(:)          = 0.0_wp
855       torque_seg_z(:)          = 0.0_wp
856       turb_cd(:)               = 0.0_wp
857       turb_cl(:)               = 0.0_wp
858       vrel(:)                  = 0.0_wp
859       vtheta(:)                = 0.0_wp
860
861       rbx(:,:)                 = 0.0_wp
862       rby(:,:)                 = 0.0_wp
863       rbz(:,:)                 = 0.0_wp
864       thrust_ring(:,:)         = 0.0_wp
865       torque_ring_y(:,:)       = 0.0_wp
866       torque_ring_z(:,:)       = 0.0_wp
867
868       rotx(:,:)                = 0.0_wp
869       roty(:,:)                = 0.0_wp
870       rotz(:,:)                = 0.0_wp
871
872       nac_cd_surf(:,:,:)       = 0.0_wp
873       rot_tend_x(:,:,:)        = 0.0_wp
874       rot_tend_y(:,:,:)        = 0.0_wp
875       rot_tend_z(:,:,:)        = 0.0_wp
876       thrust(:,:,:)            = 0.0_wp
877       torque_y(:,:,:)          = 0.0_wp
878       torque_z(:,:,:)          = 0.0_wp
879       tow_cd_surf(:,:,:)       = 0.0_wp
880
881       u_int(:,:,:)             = 0.0_wp
882       u_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
883       v_int(:,:,:)             = 0.0_wp
884       v_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
885       w_int(:,:,:)             = 0.0_wp
886       w_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
887
888
889    END SUBROUTINE wtm_init_arrays
890
891
892!------------------------------------------------------------------------------!
893! Description:
894! ------------
895!> Initialization of the wind turbine model
896!------------------------------------------------------------------------------!
897    SUBROUTINE wtm_init
898
899   
900       IMPLICIT NONE
901
902       INTEGER(iwp) ::  i  !< running index
903       INTEGER(iwp) ::  j  !< running index
904       INTEGER(iwp) ::  k  !< running index
905       
906!
907!--    Help variables for the smearing function       
908       REAL(wp) ::  eps_kernel       !<       
909       
910!
911!--    Help variables for calculation of the tower drag       
912       INTEGER(iwp) ::  tower_n      !<
913       INTEGER(iwp) ::  tower_s      !<
914!
915!--    Help variables for the calulaction of the nacelle drag
916       INTEGER(iwp) ::  i_ip         !<
917       INTEGER(iwp) ::  i_ipg        !<
918       
919       REAL(wp) ::  yvalue               
920       REAL(wp) ::  dy_int           !<
921       REAL(wp) ::  dz_int           !<
922       
923       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: circle_points  !<
924             
925       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacb       !<
926       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacl       !<
927       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacr       !<
928       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nact       !<
929       
930       ALLOCATE( index_nacb(1:nturbines) )
931       ALLOCATE( index_nacl(1:nturbines) )
932       ALLOCATE( index_nacr(1:nturbines) )
933       ALLOCATE( index_nact(1:nturbines) )
934
935!
936!------------------------------------------------------------------------------!
937!--    Calculation of parameters for the regularization kernel
938!--    (smearing of the forces)
939!------------------------------------------------------------------------------!
940!
941!--    In the following, some of the required parameters for the smearing will
942!--    be calculated:
943
944!--    The kernel is set equal to twice the grid spacing which has turned out to
945!--    be a reasonable value (see e.g. Troldborg et al. (2013), Wind Energy,
946!--    DOI: 10.1002/we.1608):
947       eps_kernel = 2.0_wp * dx
948!
949!--    The zero point (eps_min) of the polynomial function must be the following
950!--    if the integral of the polynomial function (for values < eps_min) shall
951!--    be equal to the integral of the Gaussian function used before:
952       eps_min = ( 105.0_wp / 32.0_wp )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) *                 &
953                 pi**( 1.0_wp / 6.0_wp ) * eps_kernel
954!
955!--    Square of eps_min:
956       eps_min2 = eps_min**2
957!
958!--    Parameters in the polynomial function:
959       pol_a = 1.0_wp / eps_min**4
960       pol_b = 2.0_wp / eps_min**2
961!
962!--    Normalization factor which is the inverse of the integral of the smearing
963!--    function:
964       eps_factor = 105.0_wp / ( 32.0_wp * pi * eps_min**3 )
965       
966!--    Change tilt angle to rad:
967       tilt = tilt * pi / 180.0_wp
968     
969!
970!--    Change yaw angle to rad:
971       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
972          phi_yaw(:) = phi_yaw(:) * pi / 180.0_wp
973       ENDIF
974
975
976       DO inot = 1, nturbines
977!
978!--       Rotate the rotor coordinates in case yaw and tilt are defined
979          CALL wtm_rotate_rotor( inot )
980         
981!
982!--       Determine the indices of the hub height
983          i_hub(inot) = INT(   rcx(inot)                 / dx )
984          j_hub(inot) = INT( ( rcy(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
985          k_hub(inot) = INT( ( rcz(inot) + 0.5_wp * dz ) / dz )
986
987!
988!--       Determining the area to which the smearing of the forces is applied.
989!--       As smearing now is effectively applied only for distances smaller than
990!--       eps_min, the smearing area can be further limited and regarded as a
991!--       function of eps_min:
992          i_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dx )
993          j_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dy )
994          k_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dz )
995       
996       ENDDO
997
998!
999!--    Call the wtm_init_speed_control subroutine and calculate the local
1000!--    omega_rot for the respective processor.
1001       IF ( speed_control)  THEN
1002       
1003          CALL wtm_speed_control
1004
1005          IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) THEN
1006
1007             DO inot = 1, nturbines
1008
1009                IF ( nxl > i_hub(inot) ) THEN
1010                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1011                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1012                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1013                ENDIF
1014
1015                IF ( nxr < i_hub(inot) ) THEN
1016                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1017                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1018                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1019                ENDIF
1020
1021                IF ( nys > j_hub(inot) ) THEN
1022                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1023                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1024                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1025                ENDIF
1026
1027                IF ( nyn < j_hub(inot) ) THEN
1028                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1029                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1030                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1031                ENDIF
1032
1033                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) ) .AND. ( nxr >= i_hub(inot) ) ) THEN
1034                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) ) .AND. ( nyn >= j_hub(inot) ) ) THEN
1035
1036                      omega_rot_l(inot) = omega_gen(inot) / gear_ratio
1037
1038                   ENDIF
1039                ENDIF
1040
1041             END DO
1042
1043          ENDIF
1044
1045       ENDIF
1046
1047!
1048!------------------------------------------------------------------------------!
1049!--    Determine the area within each grid cell that overlaps with the area
1050!--    of the nacelle and the tower (needed for calculation of the forces)
1051!------------------------------------------------------------------------------!
1052!
1053!--    Note: so far this is only a 2D version, in that the mean flow is
1054!--    perpendicular to the rotor area.
1055
1056!
1057!--    Allocation of the array containing information on the intersection points
1058!--    between rotor disk and the numerical grid:
1059       upper_end = ( ny + 1 ) * 10000 
1060
1061       ALLOCATE( circle_points(1:2,1:upper_end) )
1062       
1063       circle_points(:,:) = 0.0_wp
1064
1065       
1066       DO inot = 1, nturbines                     ! loop over number of turbines
1067!
1068!--       Determine the grid index (u-grid) that corresponds to the location of
1069!--       the rotor center (reduces the amount of calculations in the case that
1070!--       the mean flow is perpendicular to the rotor area):
1071          i = i_hub(inot)
1072
1073!
1074!--       Determine the left and the right edge of the nacelle (corresponding
1075!--       grid point indices):
1076          index_nacl(inot) = INT( ( rcy(inot) - rnac(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1077          index_nacr(inot) = INT( ( rcy(inot) + rnac(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1078!
1079!--       Determine the bottom and the top edge of the nacelle (corresponding
1080!--       grid point indices).The grid point index has to be increased by 1, as
1081!--       the first level for the u-component (index 0) is situated below the
1082!--       surface. All points between z=0 and z=dz/s would already be contained
1083!--       in grid box 1.
1084          index_nacb(inot) = INT( ( rcz(inot) - rnac(inot) ) / dz ) + 1
1085          index_nact(inot) = INT( ( rcz(inot) + rnac(inot) ) / dz ) + 1
1086
1087!
1088!--       Determine the indices of the grid boxes containing the left and
1089!--       the right boundaries of the tower:
1090          tower_n = ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) - 0.5_wp * dy ) / dy
1091          tower_s = ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) - 0.5_wp * dy ) / dy
1092
1093!
1094!--       Determine the fraction of the grid box area overlapping with the tower
1095!--       area and multiply it with the drag of the tower:
1096          IF ( ( nxlg <= i )  .AND.  ( nxrg >= i ) )  THEN
1097
1098             DO  j = nys, nyn
1099!
1100!--             Loop from south to north boundary of tower
1101                IF ( ( j >= tower_s )  .AND.  ( j <= tower_n ) )  THEN
1102
1103                   DO  k = nzb, nzt
1104
1105                      IF ( k == k_hub(inot) )  THEN
1106                         IF ( tower_n - tower_s >= 1 )  THEN
1107!
1108!--                      leftmost and rightmost grid box:
1109                            IF ( j == tower_s )  THEN
1110                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) -              &
1111                                    ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) )  *    & ! extension in z-direction
1112                                  ( ( tower_s + 1.0_wp + 0.5_wp ) * dy    -    &
1113                                    ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) ) ) *    & ! extension in y-direction
1114                                  turb_cd_tower(inot)
1115                            ELSEIF ( j == tower_n )  THEN
1116                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot)            -   &
1117                                    ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) )  *    & ! extension in z-direction
1118                                  ( ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) )   -    &
1119                                    ( tower_n + 0.5_wp ) * dy )           *    & ! extension in y-direction
1120                                  turb_cd_tower(inot)
1121!
1122!--                         grid boxes inbetween
1123!--                         (where tow_cd_surf = grid box area):
1124                            ELSE
1125                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) -              &
1126                                    ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) )  *    &
1127                                    dy * turb_cd_tower(inot)
1128                            ENDIF
1129!
1130!--                      tower lies completely within one grid box:
1131                         ELSE
1132                            tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot)                 - &
1133                                       ( k_hub(inot) * dz - 0.5_wp * dz ) ) *  &
1134                                       dtow(inot) * turb_cd_tower(inot)
1135                         ENDIF
1136!
1137!--                  In case that k is smaller than k_hub the following actions
1138!--                  are carried out:
1139                      ELSEIF ( k < k_hub(inot) )  THEN
1140                     
1141                         IF ( ( tower_n - tower_s ) >= 1 )  THEN
1142!
1143!--                         leftmost and rightmost grid box:
1144                            IF ( j == tower_s )  THEN                         
1145                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz * (                     &
1146                                      ( tower_s + 1 + 0.5_wp ) * dy         -  &
1147                                      ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) )      &
1148                                                        ) * turb_cd_tower(inot)
1149                            ELSEIF ( j == tower_n )  THEN
1150                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz * (                     &
1151                                      ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) )   -  &
1152                                      ( tower_n + 0.5_wp ) * dy                &
1153                                                         ) * turb_cd_tower(inot)
1154!
1155!--                         grid boxes inbetween
1156!--                         (where tow_cd_surf = grid box area):
1157                            ELSE
1158                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz * dy * turb_cd_tower(inot)
1159                            ENDIF
1160!
1161!--                         tower lies completely within one grid box:
1162                         ELSE
1163                            tow_cd_surf(k,j,i) = dz * dtow(inot) *             &
1164                                                turb_cd_tower(inot)
1165                         ENDIF ! end if larger than grid box
1166
1167                      ENDIF    ! end if k == k_hub
1168
1169                   ENDDO       ! end loop over k
1170
1171                ENDIF          ! end if inside north and south boundary of tower
1172
1173             ENDDO             ! end loop over j
1174
1175          ENDIF                ! end if hub inside domain + ghostpoints
1176       
1177         
1178          CALL exchange_horiz( tow_cd_surf, nbgp )
1179
1180!
1181!--       Calculation of the nacelle area
1182!--       CAUTION: Currently disabled due to segmentation faults on the FLOW HPC
1183!--                cluster (Oldenburg)
1184!!
1185!!--       Tabulate the points on the circle that are required in the following for
1186!!--       the calculation of the Riemann integral (node points; they are called
1187!!--       circle_points in the following):
1188!
1189!          dy_int = dy / 10000.0_wp
1190!
1191!          DO  i_ip = 1, upper_end
1192!             yvalue   = dy_int * ( i_ip - 0.5_wp ) + 0.5_wp * dy           !<--- segmentation fault
1193!             sqrt_arg = rnac(inot)**2 - ( yvalue - rcy(inot) )**2          !<--- segmentation fault
1194!             IF ( sqrt_arg >= 0.0_wp )  THEN
1195!!
1196!!--             bottom intersection point
1197!                circle_points(1,i_ip) = rcz(inot) - SQRT( sqrt_arg )
1198!!
1199!!--             top intersection point
1200!                circle_points(2,i_ip) = rcz(inot) + SQRT( sqrt_arg )       !<--- segmentation fault
1201!             ELSE
1202!                circle_points(:,i_ip) = -111111                            !<--- segmentation fault
1203!             ENDIF
1204!          ENDDO
1205!
1206!
1207!          DO  j = nys, nyn
1208!!
1209!!--          In case that the grid box is located completely outside the nacelle
1210!!--          (y) it can automatically be stated that there is no overlap between
1211!!--          the grid box and the nacelle and consequently we can set
1212!!--          nac_cd_surf(:,j,i) = 0.0:
1213!             IF ( ( j >= index_nacl(inot) )  .AND.  ( j <= index_nacr(inot) ) )  THEN
1214!                DO  k = nzb+1, nzt
1215!!
1216!!--                In case that the grid box is located completely outside the
1217!!--                nacelle (z) it can automatically be stated that there is no
1218!!--                overlap between the grid box and the nacelle and consequently
1219!!--                we can set nac_cd_surf(k,j,i) = 0.0:
1220!                   IF ( ( k >= index_nacb(inot) )  .OR.                           &
1221!                        ( k <= index_nact(inot) ) )  THEN
1222!!
1223!!--                   For all other cases Riemann integrals are calculated.
1224!!--                   Here, the points on the circle that have been determined
1225!!--                   above are used in order to calculate the overlap between the
1226!!--                   gridbox and the nacelle area (area approached by 10000
1227!!--                   rectangulars dz_int * dy_int):
1228!                      DO  i_ipg = 1, 10000
1229!                         dz_int = dz
1230!                         i_ip = j * 10000 + i_ipg
1231!!
1232!!--                      Determine the vertical extension dz_int of the circle
1233!!--                      within the current grid box:
1234!                         IF ( ( circle_points(2,i_ip) < zw(k) ) .AND.          &  !<--- segmentation fault
1235!                              ( circle_points(2,i_ip) >= zw(k-1) ) ) THEN
1236!                            dz_int = dz_int -                                  &  !<--- segmentation fault
1237!                                     ( zw(k) - circle_points(2,i_ip) )
1238!                         ENDIF
1239!                         IF ( ( circle_points(1,i_ip) <= zw(k) ) .AND.         &  !<--- segmentation fault
1240!                              ( circle_points(1,i_ip) > zw(k-1) ) ) THEN
1241!                            dz_int = dz_int -                                  &
1242!                                     ( circle_points(1,i_ip) - zw(k-1) )
1243!                         ENDIF
1244!                         IF ( zw(k-1) > circle_points(2,i_ip) ) THEN
1245!                            dz_int = 0.0_wp
1246!                         ENDIF
1247!                         IF ( zw(k) < circle_points(1,i_ip) ) THEN
1248!                            dz_int = 0.0_wp                     
1249!                         ENDIF
1250!                         IF ( ( nxlg <= i ) .AND. ( nxrg >= i ) ) THEN
1251!                            nac_cd_surf(k,j,i) = nac_cd_surf(k,j,i) +        &  !<--- segmentation fault
1252!                                                  dy_int * dz_int * turb_cd_nacelle(inot)
1253!                         ENDIF   
1254!                      ENDDO
1255!                   ENDIF
1256!                ENDDO
1257!             ENDIF
1258!
1259!          ENDDO
1260!       
1261!          CALL exchange_horiz( nac_cd_surf, nbgp )                                !<---  segmentation fault
1262
1263       ENDDO   ! end of loop over turbines
1264
1265       tow_cd_surf   = tow_cd_surf   / ( dx * dy * dz )      ! Normalize tower drag
1266       nac_cd_surf = nac_cd_surf / ( dx * dy * dz )      ! Normalize nacelle drag
1267
1268       CALL wtm_read_blade_tables
1269 
1270    END SUBROUTINE wtm_init
1271
1272
1273!------------------------------------------------------------------------------!
1274! Description:
1275! ------------
1276!> Read in layout of the rotor blade , the lift and drag tables
1277!> and the distribution of lift and drag tables along the blade
1278!------------------------------------------------------------------------------!
1279!
1280    SUBROUTINE wtm_read_blade_tables
1281
1282
1283       IMPLICIT NONE
1284
1285       INTEGER(iwp) ::  ii   !< running index
1286       INTEGER(iwp) ::  jj   !< running index
1287   
1288       INTEGER(iwp) ::  ierrn       !<
1289   
1290       CHARACTER(200) :: chmess     !< Read in string
1291
1292       INTEGER(iwp) ::  dlen        !< no. rows of local table
1293       INTEGER(iwp) ::  dlenbl      !< no. rows of cd, cl table
1294       INTEGER(iwp) ::  ialpha      !< table position of current alpha value
1295       INTEGER(iwp) ::  iialpha     !<
1296       INTEGER(iwp) ::  iir         !<
1297       INTEGER(iwp) ::  radres      !< radial resolution
1298       INTEGER(iwp) ::  t1          !< no. of airfoil
1299       INTEGER(iwp) ::  t2          !< no. of airfoil
1300       INTEGER(iwp) ::  trow        !<
1301       INTEGER(iwp) ::  dlenbl_int  !< no. rows of interpolated cd, cl tables
1302   
1303       REAL(wp) :: alpha_attack_i   !<
1304       REAL(wp) :: weight_a         !<
1305       REAL(wp) :: weight_b         !<
1306
1307       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: ttoint1    !<
1308       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: ttoint2    !<
1309   
1310       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cd_sel1   !<
1311       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cd_sel2   !<
1312       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cl_sel1   !<
1313       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cl_sel2   !<
1314       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: read_cl_cd     !< read in var array
1315             
1316       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: alpha_attack_tab   !<
1317       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: trad1              !<
1318       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: trad2              !<         
1319       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE  :: turb_cd_table      !<
1320       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE  :: turb_cl_table      !<
1321                                         
1322       ALLOCATE ( read_cl_cd(1:2*nairfoils+1) )
1323
1324!
1325!--    Read in the distribution of lift and drag tables along the blade, the
1326!--    layout of the rotor blade and the lift and drag tables:
1327
1328       OPEN ( 90, FILE='WTM_DATA', STATUS='OLD', FORM='FORMATTED', IOSTAT=ierrn )
1329
1330       IF ( ierrn /= 0 )  THEN
1331          message_string = 'file WTM_DATA does not exist'
1332          CALL message( 'wtm_init', 'PA0464', 1, 2, 0, 6, 0 )
1333       ENDIF
1334!
1335!--    Read distribution table:
1336
1337       dlen = 0
1338
1339       READ ( 90, '(3/)' )
1340
1341       rloop3: DO
1342          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1343          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop3
1344          dlen = dlen + 1
1345       ENDDO rloop3
1346
1347       ALLOCATE( trad1(1:dlen), trad2(1:dlen), ttoint1(1:dlen), ttoint2(1:dlen))
1348
1349       DO jj = 1,dlen+1
1350          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1351       ENDDO
1352
1353       DO jj = 1,dlen
1354          READ ( 90, * ) trad1(jj), trad2(jj), ttoint1(jj), ttoint2(jj)
1355       ENDDO
1356
1357!
1358!--    Read layout table:
1359
1360       dlen = 0 
1361
1362       READ ( 90, '(3/)')
1363
1364       rloop1: DO
1365          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1366          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop1
1367          dlen = dlen + 1
1368       ENDDO rloop1
1369
1370       ALLOCATE( lrd(1:dlen), ard(1:dlen), crd(1:dlen) )
1371       DO jj = 1, dlen+1
1372          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1373       ENDDO             
1374       DO jj = 1, dlen
1375          READ ( 90, * ) lrd(jj), ard(jj), crd(jj) 
1376       ENDDO
1377
1378!
1379!--    Read tables (turb_cl(alpha),turb_cd(alpha) for the different profiles:
1380
1381       dlen = 0
1382
1383       READ ( 90, '(3/)' )
1384
1385       rloop2: DO
1386          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1387          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop2
1388          dlen = dlen + 1
1389       ENDDO rloop2
1390
1391       ALLOCATE( alpha_attack_tab(1:dlen), turb_cl_table(1:dlen,1:nairfoils),  &
1392                 turb_cd_table(1:dlen,1:nairfoils) )
1393
1394       DO jj = 1,dlen+1
1395          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1396       ENDDO
1397
1398       DO jj = 1,dlen
1399          READ ( 90, * ) read_cl_cd
1400          alpha_attack_tab(jj) = read_cl_cd(1)
1401          DO ii= 1, nairfoils
1402             turb_cl_table(jj,ii) = read_cl_cd(ii*2)
1403             turb_cd_table(jj,ii) = read_cl_cd(ii*2+1)
1404          ENDDO
1405
1406       ENDDO
1407
1408       dlenbl = dlen
1409
1410       CLOSE ( 90 )
1411
1412!
1413!--    For each possible radial position (resolution: 0.1 m --> 631 values if rr(1)=63m)
1414!--    and each possible angle of attack (resolution: 0.1 degrees --> 3601 values!)
1415!--    determine the lift and drag coefficient by interpolating between the
1416!--    tabulated values of each table (interpolate to current angle of attack)
1417!--    and between the tables (interpolate to current radial position):
1418
1419       ALLOCATE( turb_cl_sel1(1:dlenbl) ) 
1420       ALLOCATE( turb_cl_sel2(1:dlenbl) ) 
1421       ALLOCATE( turb_cd_sel1(1:dlenbl) )
1422       ALLOCATE( turb_cd_sel2(1:dlenbl) )
1423
1424       radres     = INT( rr(1) * 10.0_wp ) + 1_iwp
1425       dlenbl_int = INT( 360.0_wp / accu_cl_cd_tab ) + 1_iwp
1426
1427       ALLOCATE( turb_cl_tab(1:dlenbl_int,1:radres) )
1428       ALLOCATE( turb_cd_tab(1:dlenbl_int,1:radres) )
1429
1430       DO iir = 1, radres ! loop over radius
1431
1432          cur_r = ( iir - 1_iwp ) * 0.1_wp
1433!
1434!--       Find position in table 1
1435          lct = MINLOC( ABS( trad1 - cur_r ) )
1436!             lct(1) = lct(1)
1437
1438          IF ( ( trad1(lct(1)) - cur_r ) .GT. 0.0 )  THEN
1439             lct(1) = lct(1) - 1
1440          ENDIF
1441
1442          trow = lct(1)
1443!
1444!--       Calculate weights for radius interpolation
1445          weight_a = ( trad2(trow) - cur_r ) / ( trad2(trow) - trad1(trow) )
1446          weight_b = ( cur_r - trad1(trow) ) / ( trad2(trow) - trad1(trow) )
1447          t1 = ttoint1(trow)
1448          t2 = ttoint2(trow)
1449
1450          IF ( t1 .EQ. t2 ) THEN  ! if both are the same, the weights are NaN
1451             weight_a = 0.5_wp    ! then do interpolate in between same twice
1452             weight_b = 0.5_wp    ! using 0.5 as weight
1453          ENDIF
1454
1455          IF ( t1 == 0 .AND. t2 == 0 ) THEN
1456             turb_cd_sel1 = 0.0_wp
1457             turb_cd_sel2 = 0.0_wp
1458             turb_cl_sel1 = 0.0_wp
1459             turb_cl_sel2 = 0.0_wp
1460
1461             turb_cd_tab(1,iir) = 0.0_wp  ! For -180° (iialpha=1) the values   
1462             turb_cl_tab(1,iir) = 0.0_wp  ! for each radius has to be set
1463                                          ! explicitly             
1464          ELSE
1465             turb_cd_sel1 = turb_cd_table(:,t1)
1466             turb_cd_sel2 = turb_cd_table(:,t2)
1467             turb_cl_sel1 = turb_cl_table(:,t1)
1468             turb_cl_sel2 = turb_cl_table(:,t2)
1469!
1470!--          For -180° (iialpha=1) the values for each radius has to be set
1471!--          explicitly
1472             turb_cd_tab(1,iir) = ( weight_a * turb_cd_table(1,t1) + weight_b  & 
1473                                  * turb_cd_table(1,t2) )   
1474             turb_cl_tab(1,iir) = ( weight_a * turb_cl_table(1,t1) + weight_b  & 
1475                                  * turb_cl_table(1,t2) ) 
1476          ENDIF
1477
1478          DO iialpha = 2, dlenbl_int  ! loop over angles
1479             
1480             alpha_attack_i = -180.0_wp + REAL( iialpha-1 ) * accu_cl_cd_tab
1481             ialpha = 1
1482             
1483             DO WHILE ( ( alpha_attack_i > alpha_attack_tab(ialpha) ) .AND. (ialpha <= dlen ) )
1484                ialpha = ialpha + 1
1485             ENDDO
1486
1487!
1488!--          Interpolation of lift and drag coefficiencts on fine grid of radius
1489!--          segments and angles of attack
1490             turb_cl_tab(iialpha,iir) = ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1491                                          alpha_attack_i ) /                   &
1492                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1493                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1494                                        ( weight_a * turb_cl_sel1(ialpha-1) +  &
1495                                          weight_b * turb_cl_sel2(ialpha-1) ) +&
1496                                        ( alpha_attack_i             -         &
1497                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) /       &
1498                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1499                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1500                                        ( weight_a * turb_cl_sel1(ialpha) +    &
1501                                          weight_b * turb_cl_sel2(ialpha) )
1502             turb_cd_tab(iialpha,iir) = ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1503                                          alpha_attack_i ) /                   &
1504                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1505                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1506                                        ( weight_a * turb_cd_sel1(ialpha-1) +  &
1507                                          weight_b * turb_cd_sel2(ialpha-1) ) +&
1508                                        ( alpha_attack_i             -         &
1509                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) /       &
1510                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1511                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1512                                        ( weight_a * turb_cd_sel1(ialpha) +    &
1513                                          weight_b * turb_cd_sel2(ialpha) )
1514           
1515          ENDDO   ! end loop over angles of attack
1516         
1517       ENDDO   ! end loop over radius
1518
1519
1520    END SUBROUTINE wtm_read_blade_tables
1521
1522
1523!------------------------------------------------------------------------------!
1524! Description:
1525! ------------
1526!> The projection matrix for the coordinate system of therotor disc in respect
1527!> to the yaw and tilt angle of the rotor is calculated
1528!------------------------------------------------------------------------------!
1529    SUBROUTINE wtm_rotate_rotor( inot )
1530
1531
1532       IMPLICIT NONE
1533
1534       INTEGER(iwp) :: inot
1535!
1536!--    Calculation of the rotation matrix for the application of the tilt to
1537!--    the rotors
1538       rot_eigen_rad(1) = SIN( phi_yaw(inot) )    ! x-component of the radial eigenvector
1539       rot_eigen_rad(2) = COS( phi_yaw(inot) )    ! y-component of the radial eigenvector
1540       rot_eigen_rad(3) = 0.0_wp                  ! z-component of the radial eigenvector
1541
1542       rot_eigen_azi(1) = 0.0_wp                  ! x-component of the azimuth eigenvector
1543       rot_eigen_azi(2) = 0.0_wp                  ! y-component of the azimuth eigenvector
1544       rot_eigen_azi(3) = 1.0_wp                  ! z-component of the azimuth eigenvector
1545
1546       rot_eigen_nor(1) =  COS( phi_yaw(inot) )   ! x-component of the normal eigenvector
1547       rot_eigen_nor(2) = -SIN( phi_yaw(inot) )   ! y-component of the normal eigenvector
1548       rot_eigen_nor(3) = 0.0_wp                  ! z-component of the normal eigenvector
1549   
1550!
1551!--    Calculation of the coordinate transformation matrix to apply a tilt to
1552!--    the rotor. If tilt = 0, rot_coord_trans is a unit matrix.
1553
1554       rot_coord_trans(inot,1,1) = rot_eigen_rad(1)**2                   *     &
1555                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt ) 
1556       rot_coord_trans(inot,1,2) = rot_eigen_rad(1) * rot_eigen_rad(2)   *     &
1557                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1558                                   rot_eigen_rad(3) * SIN( tilt )
1559       rot_coord_trans(inot,1,3) = rot_eigen_rad(1) * rot_eigen_rad(3)   *     &
1560                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1561                                   rot_eigen_rad(2) * SIN( tilt )
1562       rot_coord_trans(inot,2,1) = rot_eigen_rad(2) * rot_eigen_rad(1)   *     &
1563                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1564                                   rot_eigen_rad(3) * SIN( tilt )
1565       rot_coord_trans(inot,2,2) = rot_eigen_rad(2)**2                   *     &
1566                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt ) 
1567       rot_coord_trans(inot,2,3) = rot_eigen_rad(2) * rot_eigen_rad(3)   *     &
1568                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1569                                   rot_eigen_rad(1) * SIN( tilt )
1570       rot_coord_trans(inot,3,1) = rot_eigen_rad(3) * rot_eigen_rad(1)   *     &
1571                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1572                                   rot_eigen_rad(2) * SIN( tilt )
1573       rot_coord_trans(inot,3,2) = rot_eigen_rad(3) * rot_eigen_rad(2)   *     &
1574                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1575                                   rot_eigen_rad(1) * SIN( tilt )
1576       rot_coord_trans(inot,3,3) = rot_eigen_rad(3)**2                   *     &
1577                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt )
1578
1579!
1580!--    Vectors for the Transformation of forces from the rotor's spheric
1581!--    coordinate system to the cartesian coordinate system
1582       rotx(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_nor )
1583       roty(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_rad )
1584       rotz(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_azi )
1585   
1586    END SUBROUTINE wtm_rotate_rotor
1587
1588
1589!------------------------------------------------------------------------------!
1590! Description:
1591! ------------
1592!> Calculation of the forces generated by the wind turbine
1593!------------------------------------------------------------------------------!
1594    SUBROUTINE wtm_forces
1595
1596
1597       IMPLICIT NONE
1598
1599       CHARACTER (LEN=4) ::  turbine_id
1600
1601       INTEGER(iwp) ::  i, j, k          !< loop indices
1602       INTEGER(iwp) ::  inot             !< turbine loop index (turbine id)
1603       INTEGER(iwp) ::  iialpha, iir     !<
1604       INTEGER(iwp) ::  rseg, rseg_int   !<
1605       INTEGER(iwp) ::  ring, ring_int   !<
1606       INTEGER(iwp) ::  ii, jj, kk       !<
1607   
1608       REAL(wp)     ::  flag               !< flag to mask topography grid points
1609       REAL(wp)     ::  sin_rot, cos_rot   !<
1610       REAL(wp)     ::  sin_yaw, cos_yaw   !<
1611       
1612       REAL(wp) ::  aa, bb, cc, dd  !< interpolation distances
1613       REAL(wp) ::  gg              !< interpolation volume var 
1614       
1615       REAL(wp) ::  dist_u_3d, dist_v_3d, dist_w_3d  !< smearing distances
1616
1617       
1618!
1619!      Variables for pitch control
1620       REAL(wp)     ::  torque_max=0.0_wp
1621       LOGICAL      ::  pitch_sw=.FALSE.
1622
1623       INTEGER(iwp), DIMENSION(1) :: lct=0
1624       REAL(wp), DIMENSION(1)     :: rad_d=0.0_wp
1625       
1626       REAL(wp) :: tl_factor !< factor for tip loss correction
1627
1628
1629       CALL cpu_log( log_point_s(61), 'wtm_forces', 'start' )
1630
1631
1632       IF ( simulated_time >= time_turbine_on ) THEN
1633
1634!
1635!--       Set forces to zero for each new time step:
1636          thrust(:,:,:)         = 0.0_wp
1637          torque_y(:,:,:)       = 0.0_wp
1638          torque_z(:,:,:)       = 0.0_wp
1639          torque_total(:)       = 0.0_wp
1640          rot_tend_x(:,:,:)     = 0.0_wp
1641          rot_tend_y(:,:,:)     = 0.0_wp
1642          rot_tend_z(:,:,:)     = 0.0_wp
1643          thrust_rotor(:)       = 0.0_wp
1644!
1645!--       Loop over number of turbines:
1646          DO inot = 1, nturbines
1647
1648             cos_yaw = COS(phi_yaw(inot))
1649             sin_yaw = SIN(phi_yaw(inot))
1650!
1651!--          Loop over rings of each turbine:
1652             DO ring = 1, nrings(inot)
1653
1654                thrust_seg(:)   = 0.0_wp
1655                torque_seg_y(:) = 0.0_wp
1656                torque_seg_z(:) = 0.0_wp
1657!
1658!--             Determine distance between each ring (center) and the hub:
1659                cur_r = (ring - 0.5_wp) * delta_r(inot)
1660
1661!
1662!--             Loop over segments of each ring of each turbine:
1663                DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
1664!
1665!--                !-----------------------------------------------------------!
1666!--                !-- Determine coordinates of the ring segments            --!
1667!--                !-----------------------------------------------------------!
1668!
1669!--                Determine angle of ring segment towards zero degree angle of
1670!--                rotor system (at zero degree rotor direction vectors aligned
1671!--                with y-axis):
1672                   phi_rotor = rseg * 2.0_wp * pi / nsegs(ring,inot)
1673                   cos_rot   = COS( phi_rotor )
1674                   sin_rot   = SIN( phi_rotor )
1675
1676!--                Now the direction vectors can be determined with respect to
1677!--                the yaw and tilt angle:
1678                   re(1) = cos_rot * sin_yaw
1679                   re(2) = cos_rot * cos_yaw   
1680                   re(3) = sin_rot
1681
1682                   rote = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), re )
1683!
1684!--                Coordinates of the single segments (center points):
1685                   rbx(ring,rseg) = rcx(inot) + cur_r * rote(1)
1686                   rby(ring,rseg) = rcy(inot) + cur_r * rote(2)
1687                   rbz(ring,rseg) = rcz(inot) + cur_r * rote(3)
1688
1689!--                !-----------------------------------------------------------!
1690!--                !-- Interpolation of the velocity components from the     --!
1691!--                !-- cartesian grid point to the coordinates of each ring  --!
1692!--                !-- segment (follows a method used in the particle model) --!
1693!--                !-----------------------------------------------------------!
1694
1695                   u_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1696                   u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1697
1698                   v_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1699                   v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1700
1701                   w_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1702                   w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1703
1704!
1705!--                Interpolation of the u-component:
1706
1707                   ii =   rbx(ring,rseg) * ddx
1708                   jj = ( rby(ring,rseg) - 0.5_wp * dy ) * ddy
1709                   kk = ( rbz(ring,rseg) + 0.5_wp * dz ) / dz
1710!
1711!--                Interpolate only if all required information is available on
1712!--                the current PE:
1713                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1714                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1715
1716                         aa = ( ( ii + 1          ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1717                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1718                         bb = ( rbx(ring,rseg) - ii * dx )                  *  &
1719                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1720                         cc = ( ( ii+1            ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1721                              ( rby(ring,rseg) - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1722                         dd = ( rbx(ring,rseg) -              ii * dx )     *  &
1723                              ( rby(ring,rseg) - ( jj + 0.5_wp ) * dy ) 
1724                         gg = dx * dy
1725
1726                         u_int_l = ( aa * u(kk,jj,ii)     +                    &
1727                                     bb * u(kk,jj,ii+1)   +                    &
1728                                     cc * u(kk,jj+1,ii)   +                    &
1729                                     dd * u(kk,jj+1,ii+1)                      &
1730                                   ) / gg
1731
1732                         u_int_u = ( aa * u(kk+1,jj,ii)     +                  &
1733                                     bb * u(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1734                                     cc * u(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1735                                     dd * u(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1736                                   ) / gg
1737
1738                         u_int_1_l(inot,ring,rseg) = u_int_l          +        &
1739                                     ( rbz(ring,rseg) - zu(kk) ) / dz *        &
1740                                     ( u_int_u - u_int_l )
1741
1742                      ELSE
1743                         u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1744                      ENDIF
1745                   ELSE
1746                      u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1747                   ENDIF
1748
1749
1750!
1751!--                Interpolation of the v-component:
1752                   ii = ( rbx(ring,rseg) - 0.5_wp * dx ) * ddx
1753                   jj =   rby(ring,rseg)                 * ddy
1754                   kk = ( rbz(ring,rseg) + 0.5_wp * dz ) / dz
1755!
1756!--                Interpolate only if all required information is available on
1757!--                the current PE:
1758                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1759                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1760
1761                         aa = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1762                              ( ( jj + 1 )          * dy - rby(ring,rseg) )
1763                         bb = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1764                              ( ( jj + 1 ) * dy          - rby(ring,rseg) )
1765                         cc = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1766                              ( rby(ring,rseg)           -        jj * dy )
1767                         dd = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1768                              ( rby(ring,rseg)           -        jj * dy )
1769                         gg = dx * dy
1770
1771                         v_int_l = ( aa * v(kk,jj,ii)     +                    &
1772                                     bb * v(kk,jj,ii+1)   +                    &
1773                                     cc * v(kk,jj+1,ii)   +                    &
1774                                     dd * v(kk,jj+1,ii+1)                      &
1775                                   ) / gg
1776
1777                         v_int_u = ( aa * v(kk+1,jj,ii)     +                  &
1778                                     bb * v(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1779                                     cc * v(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1780                                     dd * v(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1781                                  ) / gg
1782
1783                         v_int_1_l(inot,ring,rseg) = v_int_l +                 &
1784                                     ( rbz(ring,rseg) - zu(kk) ) / dz *        &
1785                                     ( v_int_u - v_int_l )
1786
1787                      ELSE
1788                         v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1789                      ENDIF
1790                   ELSE
1791                      v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1792                   ENDIF
1793
1794
1795!
1796!--                Interpolation of the w-component:
1797                   ii = ( rbx(ring,rseg) - 0.5_wp * dx ) * ddx
1798                   jj = ( rby(ring,rseg) - 0.5_wp * dy ) * ddy
1799                   kk =   rbz(ring,rseg)                 / dz
1800!
1801!--                Interpolate only if all required information is available on
1802!--                the current PE:
1803                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1804                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1805
1806                         aa = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1807                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1808                         bb = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1809                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1810                         cc = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1811                              ( rby(ring,rseg)     - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1812                         dd = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1813                              ( rby(ring,rseg)     - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1814                         gg = dx * dy
1815
1816                         w_int_l = ( aa * w(kk,jj,ii)     +                    &
1817                                     bb * w(kk,jj,ii+1)   +                    &
1818                                     cc * w(kk,jj+1,ii)   +                    &
1819                                     dd * w(kk,jj+1,ii+1)                      &
1820                                   ) / gg
1821
1822                         w_int_u = ( aa * w(kk+1,jj,ii)     +                  &
1823                                     bb * w(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1824                                     cc * w(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1825                                     dd * w(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1826                                    ) / gg
1827
1828                         w_int_1_l(inot,ring,rseg) = w_int_l +                 &
1829                                     ( rbz(ring,rseg) - zw(kk) ) / dz *        &
1830                                     ( w_int_u - w_int_l )
1831                      ELSE
1832                         w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1833                      ENDIF
1834                   ELSE
1835                      w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1836                   ENDIF
1837
1838                ENDDO
1839             ENDDO
1840
1841          ENDDO
1842
1843!
1844!--       Exchange between PEs (information required on each PE):
1845#if defined( __parallel )
1846          CALL MPI_ALLREDUCE( u_int_1_l, u_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1847                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1848          CALL MPI_ALLREDUCE( v_int_1_l, v_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1849                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1850          CALL MPI_ALLREDUCE( w_int_1_l, w_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1851                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1852#else
1853          u_int = u_int_1_l
1854          v_int = v_int_1_l
1855          w_int = w_int_1_l
1856#endif
1857
1858
1859!
1860!--       Loop over number of turbines:
1861
1862          DO inot = 1, nturbines
1863pit_loop: DO
1864
1865             IF ( pitch_sw )  THEN
1866                torque_total(inot) = 0.0_wp
1867                thrust_rotor(inot) = 0.0_wp
1868                pitch_add(inot)    = pitch_add(inot) + 0.25_wp
1869!                 IF ( myid == 0 ) PRINT*, 'Pitch', inot, pitch_add(inot)
1870             ELSE
1871                cos_yaw = COS(phi_yaw(inot))
1872                sin_yaw = SIN(phi_yaw(inot))
1873                IF ( pitch_control )  THEN
1874                   pitch_add(inot) = MAX(pitch_add_old(inot) - pitch_rate *    &
1875                                         dt_3d , 0.0_wp )
1876                ENDIF
1877             ENDIF
1878
1879!
1880!--          Loop over rings of each turbine:
1881             DO ring = 1, nrings(inot)
1882!
1883!--             Determine distance between each ring (center) and the hub:
1884                cur_r = (ring - 0.5_wp) * delta_r(inot)
1885!
1886!--             Loop over segments of each ring of each turbine:
1887                DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
1888!
1889!--                Determine angle of ring segment towards zero degree angle of
1890!--                rotor system (at zero degree rotor direction vectors aligned
1891!--                with y-axis):
1892                   phi_rotor = rseg * 2.0_wp * pi / nsegs(ring,inot)
1893                   cos_rot   = COS(phi_rotor)
1894                   sin_rot   = SIN(phi_rotor)
1895!
1896!--                Now the direction vectors can be determined with respect to
1897!--                the yaw and tilt angle:
1898                   re(1) = cos_rot * sin_yaw
1899                   re(2) = cos_rot * cos_yaw
1900                   re(3) = sin_rot
1901
1902!                  The current unit vector in azimuthal direction:                         
1903                   rea(1) = - sin_rot * sin_yaw
1904                   rea(2) = - sin_rot * cos_yaw
1905                   rea(3) =   cos_rot
1906
1907!
1908!--                To respect the yawing angle for the calculations of
1909!--                velocities and forces the unit vectors perpendicular to the
1910!--                rotor area in direction of the positive yaw angle are defined:
1911                   ren(1) =   cos_yaw
1912                   ren(2) = - sin_yaw
1913                   ren(3) = 0.0_wp
1914!
1915!--                Multiplication with the coordinate transformation matrix
1916!--                gives the final unit vector with consideration of the rotor
1917!--                tilt:
1918                   rote = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), re )
1919                   rota = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rea )
1920                   rotn = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), ren )
1921!
1922!--                Coordinates of the single segments (center points):
1923                   rbx(ring,rseg) = rcx(inot) + cur_r * rote(1)
1924
1925                   rby(ring,rseg) = rcy(inot) + cur_r * rote(2)
1926
1927                   rbz(ring,rseg) = rcz(inot) + cur_r * rote(3)
1928
1929!
1930!--                !-----------------------------------------------------------!
1931!--                !-- Calculation of various angles and relative velocities --!
1932!--                !-----------------------------------------------------------!
1933!
1934!--                In the following the 3D-velocity field is projected its
1935!--                components perpendicular and parallel to the rotor area
1936!--                The calculation of forces will be done in the rotor-
1937!--                coordinates y' and z.
1938!--                The yaw angle will be reintroduced when the force is applied
1939!--                on the hydrodynamic equations
1940!
1941!--                Projection of the xy-velocities relative to the rotor area
1942!
1943!--                Velocity perpendicular to the rotor area:
1944                   u_rot = u_int(inot,ring,rseg)*rotn(1) +                     &
1945                   v_int(inot,ring,rseg)*rotn(2) +                             &
1946                   w_int(inot,ring,rseg)*rotn(3)
1947!
1948!--                Projection of the 3D-velocity vector in the azimuthal
1949!--                direction:
1950                   vtheta(rseg) = rota(1) * u_int(inot,ring,rseg) +            & 
1951                                  rota(2) * v_int(inot,ring,rseg) +            &
1952                                  rota(3) * w_int(inot,ring,rseg)
1953!
1954!--                Determination of the angle phi_rel between the rotor plane
1955!--                and the direction of the flow relative to the rotor:
1956
1957                   phi_rel(rseg) = ATAN( u_rot /                               &
1958                                         ( omega_rot(inot) * cur_r -           &
1959                                           vtheta(rseg) ) )
1960
1961!
1962!--                Interpolation of the local pitch angle from tabulated values
1963!--                to the current radial position:
1964
1965                   lct=minloc(ABS(cur_r-lrd))
1966                   rad_d=cur_r-lrd(lct)
1967                   
1968                   IF (cur_r == 0.0_wp) THEN
1969                      alpha_attack(rseg) = 0.0_wp
1970                   ELSE IF (cur_r >= lrd(size(ard))) THEN
1971                      alpha_attack(rseg) = ( ard(size(ard)) +                  &
1972                                             ard(size(ard)-1) ) / 2.0_wp
1973                   ELSE
1974                      alpha_attack(rseg) = ( ard(lct(1)) *  &
1975                                             ( ( lrd(lct(1)+1) - cur_r ) /     &
1976                                               ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) &
1977                                             ) ) + ( ard(lct(1)+1) *           &
1978                                             ( ( cur_r - lrd(lct(1)) ) /       &
1979                                               ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) )
1980                   ENDIF
1981
1982!
1983!--                In Fortran radian instead of degree is used as unit for all
1984!--                angles. Therefore, a transformation from angles given in
1985!--                degree to angles given in radian is necessary here:
1986                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
1987                                        ( (2.0_wp*pi) / 360.0_wp )
1988!
1989!--                Substraction of the local pitch angle to obtain the local
1990!--                angle of attack:
1991                   alpha_attack(rseg) = phi_rel(rseg) - alpha_attack(rseg)
1992!
1993!--                Preliminary transformation back from angles given in radian
1994!--                to angles given in degree:
1995                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
1996                                        ( 360.0_wp / (2.0_wp*pi) )
1997!
1998!--                Correct with collective pitch angle:
1999                   alpha_attack = alpha_attack - pitch_add(inot)
2000
2001!
2002!--                Determination of the magnitude of the flow velocity relative
2003!--                to the rotor:
2004                   vrel(rseg) = SQRT( u_rot**2 +                               &
2005                                      ( omega_rot(inot) * cur_r -              &
2006                                        vtheta(rseg) )**2 )
2007
2008!
2009!--                !-----------------------------------------------------------!
2010!--                !-- Interpolation of chord as well as lift and drag       --!
2011!--                !-- coefficients from tabulated values                    --!
2012!--                !-----------------------------------------------------------!
2013
2014!
2015!--                Interpolation of the chord_length from tabulated values to
2016!--                the current radial position:
2017
2018                   IF (cur_r == 0.0_wp) THEN
2019                      chord(rseg) = 0.0_wp
2020                   ELSE IF (cur_r >= lrd(size(crd))) THEN
2021                      chord(rseg) = (crd(size(crd)) + ard(size(crd)-1)) / 2.0_wp
2022                   ELSE
2023                      chord(rseg) = ( crd(lct(1)) *                            &
2024                            ( ( lrd(lct(1)+1) - cur_r ) /                      &
2025                              ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) ) +            &
2026                            ( crd(lct(1)+1) *                                  &
2027                            ( ( cur_r-lrd(lct(1)) ) /                          &
2028                              ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) )
2029                   ENDIF
2030
2031!
2032!--                Determine index of current angle of attack, needed for
2033!--                finding the appropriate interpolated values of the lift and
2034!--                drag coefficients (-180.0 degrees = 1, +180.0 degrees = 3601,
2035!--                so one index every 0.1 degrees):
2036                   iialpha = CEILING( ( alpha_attack(rseg) + 180.0_wp )        &
2037                                      * ( 1.0_wp / accu_cl_cd_tab ) ) + 1.0_wp
2038!
2039!--                Determine index of current radial position, needed for
2040!--                finding the appropriate interpolated values of the lift and
2041!--                drag coefficients (one index every 0.1 m):
2042                   iir = CEILING( cur_r * 10.0_wp )
2043!
2044!--                Read in interpolated values of the lift and drag coefficients
2045!--                for the current radial position and angle of attack:
2046                   turb_cl(rseg) = turb_cl_tab(iialpha,iir)
2047                   turb_cd(rseg) = turb_cd_tab(iialpha,iir)
2048
2049!
2050!--                Final transformation back from angles given in degree to
2051!--                angles given in radian:
2052                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
2053                                        ( (2.0_wp*pi) / 360.0_wp )
2054
2055                   IF ( tl_cor )  THEN
2056                   
2057!--                  Tip loss correction following Schito
2058!--                  Schito applies the tip loss correction only to the lift force
2059!--                  Therefore, the tip loss correction is only applied to the lift
2060!--                  coefficient and not to the drag coefficient in our case
2061!--                 
2062                     tl_factor = ( 2.0 / pi ) *                                &
2063                          ACOS( EXP( -1.0 * ( 3.0 * ( rr(inot) - cur_r ) /     &
2064                          ( 2.0 * cur_r * abs( sin( phi_rel(rseg) ) ) ) ) ) )
2065                         
2066                     turb_cl(rseg)  = tl_factor * turb_cl(rseg)                                 
2067                                 
2068                   END IF               
2069!
2070!--                !-----------------------------------------------------!
2071!--                !-- Calculation of the forces                       --!
2072!--                !-----------------------------------------------------!
2073
2074!
2075!--                Calculate the pre_factor for the thrust and torque forces:
2076
2077                   pre_factor = 0.5_wp * (vrel(rseg)**2) * 3.0_wp *  &
2078                                chord(rseg) * delta_r(inot) / nsegs(ring,inot)
2079
2080!
2081!--                Calculate the thrust force (x-component of the total force)
2082!--                for each ring segment:
2083                   thrust_seg(rseg) = pre_factor *                             &
2084                                      ( turb_cl(rseg) * COS(phi_rel(rseg)) +   &
2085                                        turb_cd(rseg) * SIN(phi_rel(rseg)) )
2086
2087!
2088!--                Determination of the second of the additional forces acting
2089!--                on the flow in the azimuthal direction: force vector as basis
2090!--                for torque (torque itself would be the vector product of the
2091!--                radius vector and the force vector):
2092                   torque_seg = pre_factor *                                   &
2093                                ( turb_cl(rseg) * SIN(phi_rel(rseg)) -         &
2094                                  turb_cd(rseg) * COS(phi_rel(rseg)) )
2095!
2096!--                Decomposition of the force vector into two parts:
2097!--                One acting along the y-direction and one acting along the
2098!--                z-direction of the rotor coordinate system:
2099
2100                   torque_seg_y(rseg) = -torque_seg * sin_rot
2101                   torque_seg_z(rseg) =  torque_seg * cos_rot
2102
2103!
2104!--                Add the segment thrust to the thrust of the whole rotor
2105                   thrust_rotor(inot) = thrust_rotor(inot) +                   &
2106                                        thrust_seg(rseg)                   
2107                   
2108
2109                   torque_total(inot) = torque_total(inot) + (torque_seg * cur_r)
2110
2111                ENDDO   !-- end of loop over ring segments
2112
2113!
2114!--             Restore the forces into arrays containing all the segments of
2115!--             each ring:
2116                thrust_ring(ring,:)   = thrust_seg(:)
2117                torque_ring_y(ring,:) = torque_seg_y(:)
2118                torque_ring_z(ring,:) = torque_seg_z(:)
2119
2120
2121             ENDDO   !-- end of loop over rings
2122
2123
2124             CALL cpu_log( log_point_s(62), 'wtm_controller', 'start' )
2125
2126             
2127             IF ( speed_control )  THEN
2128!
2129!--             Calculation of the current generator speed for rotor speed control
2130             
2131!                                     
2132!--             The acceleration of the rotor speed is calculated from
2133!--             the force balance of the accelerating torque
2134!--             and the torque of the rotating rotor and generator
2135                om_rate = ( torque_total(inot) * air_dens * gear_eff -         &
2136                            gear_ratio * torque_gen_old(inot) ) /              &
2137                          ( inertia_rot +                                      & 
2138                            gear_ratio * gear_ratio * inertia_gen ) * dt_3d
2139
2140!
2141!--             The generator speed is given by the product of gear gear_ratio
2142!--             and rotor speed
2143                omega_gen(inot) = gear_ratio * ( omega_rot(inot) + om_rate )     
2144             
2145             ENDIF
2146             
2147             IF ( pitch_control )  THEN
2148
2149!
2150!--             If the current generator speed is above rated, the pitch is not
2151!--             saturated and the change from the last time step is within the
2152!--             maximum pitch rate, then the pitch loop is repeated with a pitch
2153!--             gain
2154                IF ( (  omega_gen(inot)  > rated_genspeed   )  .AND.           &
2155                     ( pitch_add(inot) < 25.0_wp ) .AND.                       &
2156                     ( pitch_add(inot) < pitch_add_old(inot) +                 & 
2157                       pitch_rate * dt_3d  ) ) THEN
2158                   pitch_sw = .TRUE.
2159!
2160!--                Go back to beginning of pit_loop                   
2161                   CYCLE pit_loop
2162                ENDIF
2163               
2164!
2165!--             The current pitch is saved for the next time step
2166                pitch_add_old(inot) = pitch_add(inot)
2167                pitch_sw = .FALSE.
2168             ENDIF
2169             EXIT pit_loop             
2170          ENDDO pit_loop ! Recursive pitch control loop
2171
2172
2173!
2174!--          Call the rotor speed controller
2175             
2176             IF ( speed_control )  THEN
2177!
2178!--             Find processor at i_hub, j_hub             
2179                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) )  .AND.  ( nxr >= i_hub(inot) ) )   &
2180                   THEN
2181                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) )  .AND.  ( nyn >= j_hub(inot) ) )&
2182                      THEN
2183                      CALL wtm_speed_control( inot )
2184                   ENDIF
2185                ENDIF
2186                               
2187             ENDIF
2188
2189
2190             CALL cpu_log( log_point_s(62), 'wtm_controller', 'stop' )
2191
2192             CALL cpu_log( log_point_s(63), 'wtm_smearing', 'start' )
2193
2194
2195!--          !-----------------------------------------------------------------!
2196!--          !--                  Regularization kernel                      --!
2197!--          !-- Smearing of the forces and interpolation to cartesian grid  --!
2198!--          !-----------------------------------------------------------------!
2199!
2200!--          The aerodynamic blade forces need to be distributed smoothly on
2201!--          several mesh points in order to avoid singular behaviour
2202!
2203!--          Summation over sum of weighted forces. The weighting factor
2204!--          (calculated in user_init) includes information on the distance
2205!--          between the center of the grid cell and the rotor segment under
2206!--          consideration
2207!
2208!--          To save computing time, apply smearing only for the relevant part
2209!--          of the model domain:
2210!
2211!--
2212!--          Calculation of the boundaries:
2213             i_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) * ABS( roty(inot,1) ) +       &
2214                                        eps_min ) / dx )
2215             j_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) * ABS( roty(inot,2) ) +       &
2216                                        eps_min ) / dy )
2217
2218             DO i = MAX( nxl, i_hub(inot) - i_smear(inot) ),                   &
2219                    MIN( nxr, i_hub(inot) + i_smear(inot) )
2220                DO j = MAX( nys, j_hub(inot) - j_smear(inot) ),                &
2221                        MIN( nyn, j_hub(inot) + j_smear(inot) )
2222!                    DO k = MAX( nzb_u_inner(j,i)+1, k_hub(inot) - k_smear(inot) ), &
2223!                                 k_hub(inot) + k_smear(inot)
2224                   DO  k = nzb+1, k_hub(inot) + k_smear(inot)
2225                      DO ring = 1, nrings(inot)
2226                         DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
2227!
2228!--                         Predetermine flag to mask topography
2229                            flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2230     
2231!
2232!--                         Determine the square of the distance between the
2233!--                         current grid point and each rotor area segment:
2234                            dist_u_3d = ( i * dx               - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2235                                        ( j * dy + 0.5_wp * dy - rby(ring,rseg) )**2 + &
2236                                        ( k * dz - 0.5_wp * dz - rbz(ring,rseg) )**2
2237                            dist_v_3d = ( i * dx + 0.5_wp * dx - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2238                                        ( j * dy               - rby(ring,rseg) )**2 + &
2239                                        ( k * dz - 0.5_wp * dz - rbz(ring,rseg) )**2
2240                            dist_w_3d = ( i * dx + 0.5_wp * dx - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2241                                        ( j * dy + 0.5_wp * dy - rby(ring,rseg) )**2 + &
2242                                        ( k * dz               - rbz(ring,rseg) )**2
2243
2244!
2245!--                         3D-smearing of the forces with a polynomial function
2246!--                         (much faster than the old Gaussian function), using
2247!--                         some parameters that have been calculated in user_init.
2248!--                         The function is only similar to Gaussian function for
2249!--                         squared distances <= eps_min2:
2250                            IF ( dist_u_3d <= eps_min2 ) THEN
2251                               thrust(k,j,i) = thrust(k,j,i) +                     &
2252                                               thrust_ring(ring,rseg) *            &
2253                                               ( ( pol_a * dist_u_3d - pol_b ) *   & 
2254                                                dist_u_3d + 1.0_wp ) * eps_factor *&
2255                                                                       flag
2256                            ENDIF
2257                            IF ( dist_v_3d <= eps_min2 ) THEN
2258                               torque_y(k,j,i) = torque_y(k,j,i) +                    &
2259                                                 torque_ring_y(ring,rseg) *           &
2260                                                 ( ( pol_a * dist_v_3d - pol_b ) *    &
2261                                                  dist_v_3d + 1.0_wp ) * eps_factor * &
2262                                                                         flag
2263                            ENDIF
2264                            IF ( dist_w_3d <= eps_min2 ) THEN
2265                               torque_z(k,j,i) = torque_z(k,j,i) +                    &
2266                                                 torque_ring_z(ring,rseg) *           &
2267                                                 ( ( pol_a * dist_w_3d - pol_b ) *    &
2268                                                  dist_w_3d + 1.0_wp ) * eps_factor * &
2269                                                                         flag
2270                            ENDIF
2271
2272                         ENDDO  ! End of loop over rseg
2273                      ENDDO     ! End of loop over ring
2274             
2275!
2276!--                   Rotation of force components:
2277                      rot_tend_x(k,j,i) = rot_tend_x(k,j,i) + (                &
2278                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,1) +             &
2279                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,1) +           &
2280                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,1)             &
2281                                                              ) * flag
2282                               
2283                      rot_tend_y(k,j,i) = rot_tend_y(k,j,i) + (                &
2284                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,2) +             &
2285                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,2) +           &
2286                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,2)             &
2287                                                              ) * flag
2288                               
2289                      rot_tend_z(k,j,i) = rot_tend_z(k,j,i) + (                &
2290                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,3) +             &
2291                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,3) +           &
2292                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,3)             &
2293                                                              ) * flag                   
2294
2295                   ENDDO        ! End of loop over k
2296                ENDDO           ! End of loop over j
2297             ENDDO              ! End of loop over i
2298
2299             CALL cpu_log( log_point_s(63), 'wtm_smearing', 'stop' )         
2300                   
2301          ENDDO                  !-- end of loop over turbines
2302
2303               
2304          IF ( yaw_control )  THEN
2305!
2306!--          Allocate arrays for yaw control at first call
2307!--          Can't be allocated before dt_3d is set
2308             IF ( start_up )  THEN
2309                WDLON = NINT( 30.0_wp / dt_3d )  ! 30s running mean array
2310                ALLOCATE( wd30(1:nturbines,1:WDLON) )
2311                wd30 = 999.0_wp                  ! Set to dummy value
2312                ALLOCATE( wd30_l(1:WDLON) )
2313               
2314                WDSHO = NINT( 2.0_wp / dt_3d )   ! 2s running mean array
2315                ALLOCATE( wd2(1:nturbines,1:WDSHO) )
2316                wd2 = 999.0_wp                   ! Set to dummy value
2317                ALLOCATE( wd2_l(1:WDSHO) )
2318                start_up = .FALSE.
2319             ENDIF         
2320
2321!
2322!--          Calculate the inflow wind speed
2323!--
2324!--          Loop over number of turbines:
2325             DO inot = 1, nturbines
2326!
2327!--             Find processor at i_hub, j_hub             
2328                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) )  .AND.  ( nxr >= i_hub(inot) ) )   &
2329                   THEN
2330                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) )  .AND.  ( nyn >= j_hub(inot) ) )&
2331                      THEN
2332
2333                      u_inflow_l(inot) = u(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot))
2334
2335                      wdir_l(inot) = -1.0_wp * ATAN2(                          &
2336                         0.5_wp * ( v(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)+1) + &
2337                                    v(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)) ) , &
2338                         0.5_wp * ( u(k_hub(inot),j_hub(inot)+1,i_hub(inot)) + &
2339                                    u(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)) ) )
2340
2341                      CALL wtm_yawcontrol( inot )
2342
2343                      phi_yaw_l(inot) = phi_yaw(inot)
2344                     
2345                   ENDIF
2346                ENDIF
2347                   
2348             ENDDO                                 !-- end of loop over turbines
2349
2350!
2351!--          Transfer of information to the other cpus
2352#if defined( __parallel )         
2353             CALL MPI_ALLREDUCE( u_inflow_l, u_inflow, nturbines, MPI_REAL,    &
2354                                 MPI_SUM, comm2d, ierr )
2355             CALL MPI_ALLREDUCE( wdir_l, wdir, nturbines, MPI_REAL, MPI_SUM,   &
2356                                 comm2d, ierr )
2357             CALL MPI_ALLREDUCE( phi_yaw_l, phi_yaw, nturbines, MPI_REAL,      &
2358                                 MPI_SUM, comm2d, ierr )
2359#else
2360             u_inflow = u_inflow_l
2361             wdir     = wdir_l
2362             phi_yaw  = phi_yaw_l
2363             
2364             
2365#endif
2366             DO inot = 1, nturbines
2367!             
2368!--             Update rotor orientation               
2369                CALL wtm_rotate_rotor( inot )
2370
2371             ENDDO ! End of loop over turbines
2372                           
2373          END IF  ! end of yaw control
2374         
2375          IF ( speed_control )  THEN
2376!
2377!--          Transfer of information to the other cpus
2378!              CALL MPI_ALLREDUCE( omega_gen, omega_gen_old, nturbines,        &
2379!                                  MPI_REAL,MPI_SUM, comm2d, ierr )
2380#if defined( __parallel )   
2381             CALL MPI_ALLREDUCE( torque_gen, torque_gen_old, nturbines,        &
2382                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2383             CALL MPI_ALLREDUCE( omega_rot_l, omega_rot, nturbines,            &
2384                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2385             CALL MPI_ALLREDUCE( omega_gen_f, omega_gen_f_old, nturbines,      &
2386                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2387#else
2388             torque_gen_old  = torque_gen
2389             omega_rot       = omega_rot_l
2390             omega_gen_f_old = omega_gen_f
2391#endif
2392           
2393          ENDIF
2394
2395          DO inot = 1, nturbines
2396
2397             IF ( myid == 0 ) THEN
2398                IF ( openfile_turb_mod(400+inot)%opened )  THEN
2399                   WRITE ( 400+inot, 106 ) simulated_time, omega_rot(inot),    &
2400                             omega_gen(inot), torque_gen_old(inot),            &
2401                             torque_total(inot), pitch_add(inot),              &
2402                             torque_gen_old(inot)*omega_gen(inot)*gen_eff,     &
2403                             torque_total(inot)*omega_rot(inot)*air_dens,      &
2404                             thrust_rotor(inot),                               & 
2405                             wdir(inot)*180.0_wp/pi,                           &
2406                             (phi_yaw(inot))*180.0_wp/pi                   
2407                             
2408                ELSE
2409
2410                   WRITE ( turbine_id,'(A2,I2.2)')  '_T', inot
2411                   OPEN ( 400+inot, FILE=( 'WTM_OUTPUT_DATA' //                &
2412                                           TRIM( coupling_char ) //            &
2413                                           turbine_id ), FORM='FORMATTED' )
2414                   WRITE ( 400+inot, 105 ) inot
2415                   WRITE ( 400+inot, 106 ) simulated_time, omega_rot(inot),    &
2416                             omega_gen(inot), torque_gen_old(inot),            &
2417                             torque_total(inot), pitch_add(inot),              &
2418                             torque_gen_old(inot)*omega_gen(inot)*gen_eff,     &
2419                             torque_total(inot)*omega_rot(inot)*air_dens,      &
2420                             thrust_rotor(inot),                               & 
2421                             wdir(inot)*180.0_wp/pi,                           &                   
2422                             (phi_yaw(inot))*180.0_wp/pi
2423                ENDIF
2424             ENDIF
2425
2426!--          Set open flag
2427             openfile_turb_mod(400+inot)%opened = .TRUE.
2428          ENDDO                                    !-- end of loop over turbines
2429
2430       ENDIF
2431
2432       CALL cpu_log( log_point_s(61), 'wtm_forces', 'stop' )
2433       
2434!
2435!--    Formats
2436       105 FORMAT ('Turbine control data for turbine ',I2,1X,':'/ &
2437              &'----------------------------------------'/ &
2438              &'   Time   RSpeed  GSpeed  ', &
2439               'GenTorque  AeroTorque  Pitch  Power(Gen)  Power(Rot)  ',       &
2440               'RotThrust  WDirection  YawOrient')
2441
2442       106 FORMAT (F9.3,2X,F7.3,2X,F7.2,2X,F9.1,3X,F9.1,1X,F6.2,2X,F10.1,2X,   &
2443                   F10.1,1X,F9.1,2X,F7.2,1X,F7.2)
2444
2445
2446    END SUBROUTINE wtm_forces
2447
2448   
2449!------------------------------------------------------------------------------!
2450! Description:
2451! ------------
2452!> Yaw controller for the wind turbine model
2453!------------------------------------------------------------------------------!
2454    SUBROUTINE wtm_yawcontrol( inot )
2455   
2456       USE kinds
2457               
2458       IMPLICIT NONE
2459     
2460       INTEGER(iwp)             :: inot
2461       INTEGER(iwp)             :: i_wd_30
2462       REAL(wp)                 :: missal
2463
2464       i_wd_30 = 0_iwp
2465
2466
2467!--    The yaw controller computes a 30s running mean of the wind direction.
2468!--    If the difference between turbine alignment and wind direction exceeds
2469!--    5°, the turbine is yawed. The mechanism stops as soon as the 2s-running
2470!--    mean of the missalignment is smaller than 0.5°.
2471!--    Attention: If the timestep during the simulation changes significantly
2472!--    the lengths of the running means change and it does not correspond to
2473!--    30s/2s anymore.
2474!--    ! Needs to be modified for these situations !
2475!--    For wind from the east, the averaging of the wind direction could cause
2476!--    problems and the yaw controller is probably flawed. -> Routine for
2477!--    averaging needs to be improved!
2478!
2479!--    Check if turbine is not yawing
2480       IF ( .NOT. doyaw(inot) )  THEN
2481!
2482!--       Write current wind direction into array
2483          wd30_l    = wd30(inot,:)
2484          wd30_l    = CSHIFT( wd30_l, SHIFT=-1 )
2485          wd30_l(1) = wdir(inot)
2486!
2487!--       Check if array is full ( no more dummies )
2488          IF ( .NOT. ANY( wd30_l == 999.) ) THEN
2489
2490             missal = SUM( wd30_l ) / SIZE( wd30_l ) - phi_yaw(inot)
2491!
2492!--          Check if turbine is missaligned by more than max_miss
2493             IF ( ABS( missal ) > max_miss )  THEN
2494!
2495!--             Check in which direction to yaw         
2496                yawdir(inot) = SIGN( 1.0_wp, missal )
2497!
2498!--             Start yawing of turbine
2499                phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2500                doyaw(inot) = .TRUE.
2501                wd30_l = 999.  ! fill with dummies again
2502             ENDIF
2503          ENDIF
2504         
2505          wd30(inot,:) = wd30_l
2506
2507!     
2508!--    If turbine is already yawing:
2509!--    Initialize 2 s running mean and yaw until the missalignment is smaller
2510!--    than min_miss
2511
2512       ELSE
2513!
2514!--       Initialize 2 s running mean
2515          wd2_l = wd2(inot,:)
2516          wd2_l = CSHIFT( wd2_l, SHIFT = -1 )
2517          wd2_l(1) = wdir(inot)
2518!     
2519!--       Check if array is full ( no more dummies )
2520          IF ( .NOT. ANY( wd2_l == 999.0_wp ) ) THEN
2521!
2522!--          Calculate missalignment of turbine       
2523             missal = SUM( wd2_l - phi_yaw(inot) ) / SIZE( wd2_l )
2524!
2525!--          Check if missalignment is still larger than 0.5 degree and if the
2526!--          yaw direction is still right
2527             IF ( ( ABS( missal ) > min_miss )  .AND.                          &
2528                  ( yawdir(inot) == SIGN( 1.0_wp, missal ) ) )  THEN
2529!
2530!--             Continue yawing       
2531                phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2532             ELSE
2533!
2534!--             Stop yawing       
2535                doyaw(inot) = .FALSE.
2536                wd2_l = 999.0_wp ! fill with dummies again
2537             ENDIF
2538          ELSE
2539!
2540!--          Continue yawing
2541             phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2542          ENDIF
2543     
2544          wd2(inot,:) = wd2_l
2545           
2546       ENDIF
2547     
2548    END SUBROUTINE wtm_yawcontrol
2549
2550
2551!------------------------------------------------------------------------------!
2552! Description:
2553! ------------
2554!> Initialization of the speed control
2555!------------------------------------------------------------------------------!
2556    SUBROUTINE wtm_init_speed_control
2557
2558
2559       IMPLICIT NONE
2560
2561!
2562!--    If speed control is set, remaining variables and control_parameters for
2563!--    the control algorithm are calculated
2564!
2565!--    Calculate slope constant for region 15
2566       slope15   = ( slope2 * min_reg2 * min_reg2 ) / ( min_reg2 - min_reg15 )
2567!
2568!--    Calculate upper limit of slipage region
2569       vs_sysp   = rated_genspeed / 1.1_wp
2570!
2571!--    Calculate slope of slipage region
2572       slope25   = ( rated_power / rated_genspeed ) /                          &
2573                   ( rated_genspeed - vs_sysp )
2574!
2575!--    Calculate lower limit of slipage region
2576       min_reg25 = ( slope25 - SQRT( slope25 * ( slope25 - 4.0_wp *            &
2577                                                 slope2 * vs_sysp ) ) ) /      &
2578                   ( 2.0_wp * slope2 ) 
2579!
2580!--    Frequency for the simple low pass filter
2581       Fcorner   = 0.25_wp
2582!
2583!--    At the first timestep the torque is set to its maximum to prevent
2584!--    an overspeeding of the rotor
2585       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
2586          torque_gen_old(:) = max_torque_gen
2587       ENDIF 
2588     
2589    END SUBROUTINE wtm_init_speed_control
2590
2591
2592!------------------------------------------------------------------------------!
2593! Description:
2594! ------------
2595!> Simple controller for the regulation of the rotor speed
2596!------------------------------------------------------------------------------!
2597    SUBROUTINE wtm_speed_control( inot )
2598
2599
2600       IMPLICIT NONE
2601
2602       INTEGER(iwp)             :: inot
2603       
2604         
2605
2606!
2607!--    The controller is based on the fortran script from Jonkman
2608!--    et al. 2009 "Definition of a 5 MW Reference Wind Turbine for
2609!--    offshore system developement"
2610
2611!
2612!--    The generator speed is filtered by a low pass filter
2613!--    for the control of the generator torque       
2614       lp_coeff = EXP( -2.0_wp * 3.14_wp * dt_3d * Fcorner )
2615       omega_gen_f(inot) = ( 1.0_wp - lp_coeff ) * omega_gen(inot) + lp_coeff *&
2616                           omega_gen_f_old(inot)
2617
2618       IF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg15 )  THEN
2619!                       
2620!--       Region 1: Generator torque is set to zero to accelerate the rotor:
2621          torque_gen(inot) = 0
2622       
2623       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg2 )  THEN
2624!                       
2625!--       Region 1.5: Generator torque is increasing linearly with rotor speed:
2626          torque_gen(inot) = slope15 * ( omega_gen_f(inot) - min_reg15 )
2627                         
2628       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg25 )  THEN
2629!
2630!--       Region 2: Generator torque is increased by the square of the generator
2631!--                 speed to keep the TSR optimal:
2632          torque_gen(inot) = slope2 * omega_gen_f(inot) * omega_gen_f(inot)
2633       
2634       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) < rated_genspeed )  THEN
2635!                       
2636!--       Region 2.5: Slipage region between 2 and 3:
2637          torque_gen(inot) = slope25 * ( omega_gen_f(inot) - vs_sysp )
2638       
2639       ELSE
2640!                       
2641!--       Region 3: Generator torque is antiproportional to the rotor speed to
2642!--                 keep the power constant:
2643          torque_gen(inot) = rated_power / omega_gen_f(inot)
2644       
2645       ENDIF
2646!                       
2647!--    Calculate torque rate and confine with a max
2648       trq_rate = ( torque_gen(inot) - torque_gen_old(inot) ) / dt_3d
2649       trq_rate = MIN( MAX( trq_rate, -1.0_wp * max_trq_rate ), max_trq_rate )
2650!                       
2651!--    Calculate new gen torque and confine with max torque                         
2652       torque_gen(inot) = torque_gen_old(inot) + trq_rate * dt_3d
2653       torque_gen(inot) = MIN( torque_gen(inot), max_torque_gen )                                             
2654!
2655!--    Overwrite values for next timestep                       
2656       omega_rot_l(inot) = omega_gen(inot) / gear_ratio
2657
2658   
2659    END SUBROUTINE wtm_speed_control   
2660
2661
2662!------------------------------------------------------------------------------!
2663! Description:
2664! ------------
2665!> Application of the additional forces generated by the wind turbine on the
2666!> flow components (tendency terms)
2667!> Call for all grid points
2668!------------------------------------------------------------------------------!
2669    SUBROUTINE wtm_tendencies( component )
2670
2671   
2672       IMPLICIT NONE
2673
2674       INTEGER(iwp) ::  component   !< prognostic variable (u,v,w)
2675       INTEGER(iwp) ::  i           !< running index
2676       INTEGER(iwp) ::  j           !< running index
2677       INTEGER(iwp) ::  k           !< running index
2678
2679
2680       SELECT CASE ( component )
2681
2682       CASE ( 1 )
2683!
2684!--       Apply the x-component of the force to the u-component of the flow:
2685          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2686             DO  i = nxlg, nxrg
2687                DO  j = nysg, nyng
2688                   DO  k = nzb+1, MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2689!
2690!--                   Calculate the thrust generated by the nacelle and the tower
2691                      tend_nac_x = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *               &
2692                                      SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) )     
2693                      tend_tow_x   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *             &
2694                                         SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) ) 
2695                                               
2696                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_x(k,j,i)        &
2697                                  - tend_nac_x - tend_tow_x )                  &
2698                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2699                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2700                   ENDDO
2701                ENDDO
2702             ENDDO
2703          ENDIF
2704
2705       CASE ( 2 )
2706!
2707!--       Apply the y-component of the force to the v-component of the flow:
2708          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2709             DO  i = nxlg, nxrg
2710                DO  j = nysg, nyng
2711                   DO  k = nzb+1, MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2712                      tend_nac_y = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *               &
2713                                         SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )     
2714                      tend_tow_y   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *             &
2715                                         SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )                     
2716                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_y(k,j,i)        &
2717                                  - tend_nac_y - tend_tow_y )                  &
2718                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2719                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
2720                   ENDDO
2721                ENDDO
2722             ENDDO
2723          ENDIF
2724
2725       CASE ( 3 )
2726!
2727!--       Apply the z-component of the force to the w-component of the flow:
2728          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2729             DO  i = nxlg, nxrg
2730                DO  j = nysg, nyng
2731                   DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2732                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - rot_tend_z(k,j,i)            &
2733                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2734                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
2735                   ENDDO
2736                ENDDO
2737             ENDDO
2738          ENDIF
2739
2740
2741       CASE DEFAULT
2742
2743          WRITE( message_string, * ) 'unknown prognostic variable: ', component
2744          CALL message( 'wtm_tendencies', 'PA04??', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
2745
2746       END SELECT
2747
2748
2749    END SUBROUTINE wtm_tendencies
2750
2751
2752!------------------------------------------------------------------------------!
2753! Description:
2754! ------------
2755!> Application of the additional forces generated by the wind turbine on the
2756!> flow components (tendency terms)
2757!> Call for grid point i,j
2758!------------------------------------------------------------------------------!
2759    SUBROUTINE wtm_tendencies_ij( i, j, component )
2760
2761
2762       IMPLICIT NONE
2763
2764       INTEGER(iwp) ::  component   !< prognostic variable (u,v,w)
2765       INTEGER(iwp) ::  i           !< running index
2766       INTEGER(iwp) ::  j           !< running index
2767       INTEGER(iwp) ::  k           !< running index
2768
2769       SELECT CASE ( component )
2770
2771       CASE ( 1 )
2772!
2773!--       Apply the x-component of the force to the u-component of the flow:
2774          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2775             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2776!
2777!--             Calculate the thrust generated by the nacelle and the tower
2778                tend_nac_x = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *                     &
2779                                   SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) )     
2780                tend_tow_x   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *                   &
2781                                   SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) ) 
2782                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_x(k,j,i)              &
2783                            - tend_nac_x - tend_tow_x )                        &
2784                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2785                                            BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2786             ENDDO
2787          ENDIF
2788
2789       CASE ( 2 )
2790!
2791!--       Apply the y-component of the force to the v-component of the flow:
2792          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2793             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2794                tend_nac_y = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *                     &
2795                                   SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )     
2796                tend_tow_y   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *                   &
2797                                   SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )                     
2798                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_y(k,j,i)              &
2799                            - tend_nac_y - tend_tow_y )                        &
2800                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2801                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
2802                ENDDO
2803          ENDIF
2804
2805       CASE ( 3 )
2806!
2807!--       Apply the z-component of the force to the w-component of the flow:
2808          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2809             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2810                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - rot_tend_z(k,j,i)                  &
2811                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2812                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
2813             ENDDO
2814          ENDIF
2815
2816
2817       CASE DEFAULT
2818
2819          WRITE( message_string, * ) 'unknown prognostic variable: ', component
2820          CALL message( 'wtm_tendencies', 'PA04??', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
2821
2822       END SELECT
2823
2824
2825    END SUBROUTINE wtm_tendencies_ij
2826
2827 END MODULE wind_turbine_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.