source: palm/trunk/SOURCE/wind_turbine_model_mod.f90 @ 3768

Last change on this file since 3768 was 3725, checked in by raasch, 2 years ago

modifications to avoid compiler warnings about unused variables, temperton-fft: GOTO statements replaced, file re-formatted corresponding to coding standards, ssh-calls for compilations on remote systems modified to avoid output of login messages on specific systems changed again (palmbuild, reverted as before r3549), error messages for failed restarts extended (palmrun)

  • Property svn:keywords set to Id
File size: 120.5 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 1997-2019 Leibniz Universitaet Hannover
19!------------------------------------------------------------------------------!
20!
21! Current revisions:
22! -----------------
23!
24!
25! Former revisions:
26! -----------------
27! $Id: wind_turbine_model_mod.f90 3725 2019-02-07 10:11:02Z raasch $
28! unused variables removed
29!
30! 3685 2019-01-21 01:02:11Z knoop
31! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
32!
33! 3655 2019-01-07 16:51:22Z knoop
34! Replace degree symbol by 'degrees'
35!
36! 3274 2018-09-24 15:42:55Z knoop
37! Modularization of all bulk cloud physics code components
38!
39! 3248 2018-09-14 09:42:06Z sward
40! Minor formating changes
41!
42! 3246 2018-09-13 15:14:50Z sward
43! Added error handling for input namelist via parin_fail_message
44!
45! 3241 2018-09-12 15:02:00Z raasch
46! unused variables removed
47!
48! 3182 2018-07-27 13:36:03Z suehring
49! Check for vertical stretching has been revised.
50!
51! 3139 2018-07-17 11:30:10Z Giersch
52! Bugfix in calculation of alpha_attack
53!
54! 3069 2018-06-15 07:56:09Z witha
55! Initialization of some arrays added
56!
57! 3066 2018-06-12 08:55:55Z Giersch
58! Error message revised
59!
60! 3065 2018-06-12 07:03:02Z Giersch
61! dz was replaced by dz(1), error message concerning grid stretching has been
62! introduced
63!
64! 3049 2018-05-29 13:52:36Z Giersch
65! Error messages revised
66!
67! 2932 2018-03-26 09:39:22Z Giersch
68! renamed wind_turbine_par to wind_turbine_parameters
69!
70! 2894 2018-03-15 09:17:58Z Giersch
71! variable named found has been introduced for checking if restart data was
72! found, reading of restart strings has been moved completely to
73! read_restart_data_mod, wind_turbine_prerun flag has been removed, redundant
74! skipping function has been removed, wtm_read/write_restart_data have been
75! renamed to wtm_r/wrd_global, wtm_rrd_global is called in
76! read_restart_data_mod now, marker *** end wtm *** was removed, strings and
77! their respective lengths are written out and read now in case of restart
78! runs to get rid of prescribed character lengths, CASE DEFAULT was added if
79! restart data is read
80!
81! 2885 2018-03-14 11:02:46Z Giersch
82! Bugfix in interpolation of lift and drag coefficients on fine grid of radius
83! segments and angles of attack, speed-up of the initialization of the wind
84! turbine model
85!
86! 2792 2018-02-07 06:45:29Z Giersch
87! omega_rot_l has to be calculated after determining the indices for the hub in
88! case of restart runs
89!
90! 2776 2018-01-31 10:44:42Z Giersch
91! wind_turbine_prerun flag is used to define if module
92! related parameters were outputted as restart data
93!
94! 2718 2018-01-02 08:49:38Z maronga
95! Corrected "Former revisions" section
96!
97! 2696 2017-12-14 17:12:51Z kanani
98! Change in file header (GPL part)
99!
100! 2669 2017-12-06 16:03:27Z raasch
101! filename of turbine output changed to WTM_OUTPUT_DATA. File extension now
102! includes the nest domain number. Turbine extension changed to "_T##"
103!
104! 2576 2017-10-24 13:49:46Z Giersch
105! Definition of a new function called wtm_skip_global to skip module
106! parameters during reading restart data
107!
108! 2563 2017-10-19 15:36:10Z Giersch
109! Restart runs with wind turbine model are possible now. For this purpose, two
110! new subroutines wtm_write_restart_data and wtm_read_restart_data had to be
111! defined
112!
113! 2553 2017-10-18 08:03:45Z Giersch
114! Bugfix of vertical loop in wtm_tendencies to account for different turbine
115! heights, bugfix of the interpolation of the u-component concerning the
116! vertical index and further small adjustments of the programming style
117!
118! 2410 2017-09-06 08:16:30Z Giersch
119! Revise error message PA0462
120!
121! 2349 2017-08-10 15:44:04Z Giersch
122! Add parameter pitch_rate to namelist and revise/add error messages
123!
124! 2343 2017-08-08 11:28:43Z Giersch
125! Unit correction in Doxygen comments
126!
127! 2323 2017-07-26 12:57:38Z Giersch
128! Change unit number of file WTM_DATA from 201 to 90
129
130! 2322 2017-07-26 08:30:28Z Giersch
131! Bugfix of error message and assign error numbers
132!
133! 2257 2017-06-07 14:07:05Z witha
134! Bugfix: turb_cl_tab and turb_cd_tab were set to zero before being allocated
135!
136! 2233 2017-05-30 18:08:54Z suehring
137!
138! 2232 2017-05-30 17:47:52Z suehring
139! Adjustments to new topography concept
140!
141! 2152 2017-02-17 13:27:24Z lvollmer
142! Bugfix in subroutine wtm_read_blade_tables
143! Addition of a tip loss model
144!
145! 2015 2016-09-28 08:45:18Z lvollmer
146! Bugfix of pitch control
147!
148! 2000 2016-08-20 18:09:15Z knoop
149! Forced header and separation lines into 80 columns
150!
151! 1929 2016-06-09 16:25:25Z suehring
152! Bugfix: added preprocessor directives for parallel and serial mode
153!
154! 1914 2016-05-26 14:44:07Z witha
155! Initial revision
156!
157!
158! Description:
159! ------------
160!> This module calculates the effect of wind turbines on the flow fields. The
161!> initial version contains only the advanced actuator disk with rotation method
162!> (ADM-R).
163!> The wind turbines include the tower effect, can be yawed and tilted.
164!> The wind turbine model includes controllers for rotational speed, pitch and
165!> yaw.
166!> Currently some specifications of the NREL 5 MW reference turbine
167!> are hardcoded whereas most input data comes from separate files (currently
168!> external, planned to be included as namelist which will be read in
169!> automatically).
170!>
171!> @todo Replace dz(1) appropriatly to account for grid stretching
172!> @todo Revise code according to PALM Coding Standard
173!> @todo Implement ADM and ALM turbine models
174!> @todo Generate header information
175!> @todo Implement further parameter checks and error messages
176!> @todo Revise and add code documentation
177!> @todo Output turbine parameters as timeseries
178!> @todo Include additional output variables
179!> @todo Revise smearing the forces for turbines in yaw
180!> @todo Revise nacelle and tower parameterization
181!> @todo Allow different turbine types in one simulation
182!
183!------------------------------------------------------------------------------!
184 MODULE wind_turbine_model_mod
185
186    USE arrays_3d,                                                             &
187        ONLY:  tend, u, v, w, zu, zw
188
189    USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
190        ONLY:  pi
191
192    USE control_parameters,                                                    &
193        ONLY:  coupling_char, dt_3d, dz, message_string, simulated_time,       &
194               wind_turbine, initializing_actions
195
196    USE cpulog,                                                                &
197        ONLY:  cpu_log, log_point_s
198
199    USE grid_variables,                                                        &
200        ONLY:  ddx, dx, ddy, dy
201
202    USE indices,                                                               &
203        ONLY:  nbgp, nx, nxl, nxlg, nxr, nxrg, ny, nyn, nyng, nys, nysg, nz,   &
204               nzb, nzt, wall_flags_0
205
206    USE kinds
207
208    USE pegrid
209
210
211    IMPLICIT NONE
212
213    PRIVATE
214
215!
216!-- Variables specified in the namelist wind_turbine_par
217
218    INTEGER(iwp) ::  nairfoils = 8   !< number of airfoils of the used turbine model (for ADM-R and ALM)
219    INTEGER(iwp) ::  nturbines = 1   !< number of turbines
220
221    LOGICAL ::  pitch_control = .FALSE.   !< switch for use of pitch controller
222    LOGICAL ::  speed_control = .FALSE.   !< switch for use of speed controller
223    LOGICAL ::  yaw_control   = .FALSE.   !< switch for use of yaw controller
224    LOGICAL ::  tl_cor        = .FALSE.    !< switch for use of tip loss correct.
225
226    REAL(wp) ::  segment_length  = 1.0_wp          !< length of the segments, the rotor area is divided into
227                                                   !< (in tangential direction, as factor of MIN(dx,dy,dz))
228    REAL(wp) ::  segment_width   = 0.5_wp          !< width of the segments, the rotor area is divided into
229                                                   !< (in radial direction, as factor of MIN(dx,dy,dz))
230    REAL(wp) ::  time_turbine_on = 0.0_wp          !< time at which turbines are started
231    REAL(wp) ::  tilt            = 0.0_wp          !< vertical tilt of the rotor [degree] ( positive = backwards )
232
233    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  dtow             = 0.0_wp  !< tower diameter [m]
234    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_rot        = 0.9_wp  !< inital or constant rotor speed [rad/s]
235    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  phi_yaw          = 0.0_wp  !< yaw angle [degree] ( clockwise, 0 = facing west )
236    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  pitch_add        = 0.0_wp  !< constant pitch angle
237    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcx        = 9999999.9_wp  !< position of hub in x-direction
238    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcy        = 9999999.9_wp  !< position of hub in y-direction
239    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rcz        = 9999999.9_wp  !< position of hub in z-direction
240    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rnac             = 0.0_wp  !< nacelle diameter [m]
241    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  rr              = 63.0_wp  !< rotor radius [m]
242!    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  turb_cd_nacelle = 0.85_wp  !< drag coefficient for nacelle
243    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  turb_cd_tower    = 1.2_wp  !< drag coefficient for tower
244
245!
246!-- Variables specified in the namelist for speed controller
247!-- Default values are from the NREL 5MW research turbine (Jonkman, 2008)
248
249    REAL(wp) ::  rated_power    = 5296610.0_wp    !< rated turbine power [W]
250    REAL(wp) ::  gear_ratio     = 97.0_wp         !< Gear ratio from rotor to generator
251    REAL(wp) ::  inertia_rot    = 34784179.0_wp   !< Inertia of the rotor [kg*m2]
252    REAL(wp) ::  inertia_gen    = 534.116_wp      !< Inertia of the generator [kg*m2]
253    REAL(wp) ::  gen_eff        = 0.944_wp        !< Electric efficiency of the generator
254    REAL(wp) ::  gear_eff       = 1.0_wp          !< Loss between rotor and generator
255    REAL(wp) ::  air_dens       = 1.225_wp        !< Air density to convert to W [kg/m3]
256    REAL(wp) ::  rated_genspeed = 121.6805_wp     !< Rated generator speed [rad/s]
257    REAL(wp) ::  max_torque_gen = 47402.91_wp     !< Maximum of the generator torque [Nm]
258    REAL(wp) ::  slope2         = 2.332287_wp     !< Slope constant for region 2
259    REAL(wp) ::  min_reg2       = 91.21091_wp     !< Lower generator speed boundary of region 2 [rad/s]
260    REAL(wp) ::  min_reg15      = 70.16224_wp     !< Lower generator speed boundary of region 1.5 [rad/s]
261    REAL(wp) ::  max_trq_rate   = 15000.0_wp      !< Max generator torque increase [Nm/s]
262    REAL(wp) ::  pitch_rate     = 8.0_wp          !< Max pitch rate [degree/s]
263
264
265!
266!-- Variables specified in the namelist for yaw control
267
268    REAL(wp) ::  yaw_speed = 0.005236_wp   !< speed of the yaw actuator [rad/s]
269    REAL(wp) ::  max_miss = 0.08726_wp     !< maximum tolerated yaw missalignment [rad]
270    REAL(wp) ::  min_miss = 0.008726_wp    !< minimum yaw missalignment for which the actuator stops [rad]
271
272!
273!-- Set flag for output files TURBINE_PARAMETERS
274    TYPE file_status
275       LOGICAL ::  opened, opened_before
276    END TYPE file_status
277   
278    TYPE(file_status), DIMENSION(500) :: openfile_turb_mod =                   &
279                                         file_status(.FALSE.,.FALSE.)
280
281!
282!-- Variables for initialization of the turbine model
283
284    INTEGER(iwp) ::  inot         !< turbine loop index (turbine id)
285    INTEGER(iwp) ::  nsegs_max    !< maximum number of segments (all turbines, required for allocation of arrays)
286    INTEGER(iwp) ::  nrings_max   !< maximum number of rings (all turbines, required for allocation of arrays)
287    INTEGER(iwp) ::  ring         !< ring loop index (ring number)
288    INTEGER(iwp) ::  upper_end    !<
289
290    INTEGER(iwp), DIMENSION(1) ::  lct   !<
291
292    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  i_hub     !< index belonging to x-position of the turbine
293    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  i_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (x-direction)
294    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  j_hub     !< index belonging to y-position of the turbine
295    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  j_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (y-direction)
296    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_hub     !< index belonging to hub height
297    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_smear   !< index defining the area for the smearing of the forces (z-direction)
298    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nrings    !< number of rings per turbine
299    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  nsegs_total !< total number of segments per turbine
300
301    INTEGER(iwp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  nsegs   !< number of segments per ring and turbine
302
303!
304!-  parameters for the smearing from the rotor to the cartesian grid   
305    REAL(wp) ::  pol_a            !< parameter for the polynomial smearing fct
306    REAL(wp) ::  pol_b            !< parameter for the polynomial smearing fct
307    REAL(wp) ::  delta_t_factor   !<
308    REAL(wp) ::  eps_factor       !< 
309    REAL(wp) ::  eps_min          !<
310    REAL(wp) ::  eps_min2         !<
311
312!
313!-- Variables for the calculation of lift and drag coefficients
314    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  ard     !<
315    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  crd     !<
316    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  delta_r !< radial segment length
317    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE  ::  lrd     !<
318   
319    REAL(wp) ::  accu_cl_cd_tab = 0.1_wp  !< Accuracy of the interpolation of
320                                          !< the lift and drag coeff [deg]
321
322    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: turb_cd_tab   !< table of the blade drag coefficient
323    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: turb_cl_tab   !< table of the blade lift coefficient
324
325    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  nac_cd_surf  !< 3d field of the tower drag coefficient
326    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  tow_cd_surf  !< 3d field of the nacelle drag coefficient
327
328!
329!-- Variables for the calculation of the forces
330     
331    REAL(wp) ::  cur_r                       !<
332    REAL(wp) ::  phi_rotor                   !<
333    REAL(wp) ::  pre_factor                  !< 
334    REAL(wp) ::  torque_seg                  !<
335    REAL(wp) ::  u_int_l                     !<
336    REAL(wp) ::  u_int_u                     !<
337    REAL(wp) ::  u_rot                       !<
338    REAL(wp) ::  v_int_l                     !<
339    REAL(wp) ::  v_int_u                     !<
340    REAL(wp) ::  w_int_l                     !<
341    REAL(wp) ::  w_int_u                     !<
342!
343!-  Tendencies from the nacelle and tower thrust
344    REAL(wp) ::  tend_nac_x = 0.0_wp  !<
345    REAL(wp) ::  tend_tow_x = 0.0_wp  !<
346    REAL(wp) ::  tend_nac_y = 0.0_wp  !<
347    REAL(wp) ::  tend_tow_y = 0.0_wp  !<
348
349    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  alpha_attack !<
350    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  chord        !<
351    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  phi_rel      !<
352    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  torque_total !<
353    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  thrust_rotor !<
354    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  turb_cl      !<
355    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  turb_cd      !<
356    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vrel         !<
357    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vtheta       !<
358
359    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  rbx, rby, rbz     !< coordinates of the blade elements
360    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  rotx, roty, rotz  !< normal vectors to the rotor coordinates
361
362!
363!-  Fields for the interpolation of velocities on the rotor grid
364    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_int       !<
365    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  u_int_1_l   !<
366    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_int       !<
367    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  v_int_1_l   !<
368    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  w_int       !<
369    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  w_int_1_l   !<
370   
371!
372!-  rotor tendencies on the segments
373    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: thrust_seg   !<
374    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: torque_seg_y !<
375    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: torque_seg_z !<   
376
377!
378!-  rotor tendencies on the rings
379    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  thrust_ring       !<
380    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  torque_ring_y     !<
381    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  torque_ring_z     !<
382   
383!
384!-  rotor tendencies on rotor grids for all turbines
385    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  thrust      !<
386    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  torque_y    !<
387    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  torque_z    !<
388
389!
390!-  rotor tendencies on coordinate grid
391    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_x  !<
392    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_y  !<
393    REAL(wp), DIMENSION(:,:,:), ALLOCATABLE ::  rot_tend_z  !<
394!   
395!-  variables for the rotation of the rotor coordinates       
396    REAL(wp), DIMENSION(1:100,1:3,1:3) ::  rot_coord_trans  !< matrix for rotation of rotor coordinates
397   
398    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_rad   !<
399    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_azi   !<
400    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rot_eigen_nor   !<
401    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  re              !<
402    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rea             !<
403    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  ren             !<
404    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rote            !<
405    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rota            !<
406    REAL(wp), DIMENSION(1:3) ::  rotn            !<
407
408!
409!-- Fixed variables for the speed controller
410
411    LOGICAL  ::  start_up = .TRUE.   !<
412   
413    REAL(wp) ::  Fcorner             !< corner freq for the controller low pass filter
414    REAL(wp) ::  min_reg25           !< min region 2.5
415    REAL(wp) ::  om_rate             !< rotor speed change
416    REAL(wp) ::  slope15             !< slope in region 1.5
417    REAL(wp) ::  slope25             !< slope in region 2.5
418    REAL(wp) ::  trq_rate            !< torque change
419    REAL(wp) ::  vs_sysp             !<
420    REAL(wp) ::  lp_coeff            !< coeff for the controller low pass filter
421
422    REAL(wp), DIMENSION(100) :: omega_rot_l = 0.0_wp !< local rot speed [rad/s]
423
424!
425!-- Fixed variables for the yaw controller
426
427    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  yawdir           !< direction to yaw
428    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  phi_yaw_l        !< local (cpu) yaw angle
429    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wd30_l           !< local (cpu) long running avg of the wd
430    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wd2_l            !< local (cpu) short running avg of the wd
431    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wdir             !< wind direction at hub
432    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  u_inflow         !< wind speed at hub
433    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  wdir_l           !<
434    REAL(wp), DIMENSION(:)  , ALLOCATABLE ::  u_inflow_l       !<
435    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  wd30             !<
436    REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE ::  wd2              !<
437    LOGICAL,  DIMENSION(1:100)            ::  doyaw = .FALSE.  !<
438    INTEGER(iwp)                          ::  WDLON            !<
439    INTEGER(iwp)                          ::  WDSHO            !<
440
441!
442!-- Variables that have to be saved in the binary file for restarts
443    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  pitch_add_old           = 0.0_wp  !< old constant pitch angle
444    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen               = 0.0_wp  !< curr. generator speed
445    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_f             = 0.0_wp  !< filtered generator speed
446    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_old           = 0.0_wp  !< last generator speed
447    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  omega_gen_f_old         = 0.0_wp  !< last filtered generator speed
448    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  torque_gen              = 0.0_wp  !< generator torque
449    REAL(wp), DIMENSION(1:100) ::  torque_gen_old          = 0.0_wp  !< last generator torque
450
451
452    SAVE
453
454
455    INTERFACE wtm_parin
456       MODULE PROCEDURE wtm_parin
457    END INTERFACE wtm_parin
458
459    INTERFACE wtm_wrd_global
460       MODULE PROCEDURE wtm_wrd_global
461    END INTERFACE wtm_wrd_global
462
463    INTERFACE wtm_rrd_global
464       MODULE PROCEDURE wtm_rrd_global
465    END INTERFACE wtm_rrd_global
466   
467    INTERFACE wtm_check_parameters
468       MODULE PROCEDURE wtm_check_parameters
469    END INTERFACE wtm_check_parameters
470       
471    INTERFACE wtm_init_arrays
472       MODULE PROCEDURE wtm_init_arrays
473    END INTERFACE wtm_init_arrays
474
475    INTERFACE wtm_init
476       MODULE PROCEDURE wtm_init
477    END INTERFACE wtm_init
478   
479    INTERFACE wtm_read_blade_tables
480       MODULE PROCEDURE wtm_read_blade_tables
481    END INTERFACE wtm_read_blade_tables
482           
483    INTERFACE wtm_forces
484       MODULE PROCEDURE wtm_forces
485    END INTERFACE wtm_forces
486
487    INTERFACE wtm_yawcontrol
488       MODULE PROCEDURE wtm_yawcontrol
489    END INTERFACE wtm_yawcontrol
490   
491    INTERFACE wtm_rotate_rotor
492       MODULE PROCEDURE wtm_rotate_rotor
493    END INTERFACE wtm_rotate_rotor
494   
495    INTERFACE wtm_speed_control
496       MODULE PROCEDURE wtm_init_speed_control
497       MODULE PROCEDURE wtm_speed_control
498    END INTERFACE wtm_speed_control
499
500    INTERFACE wtm_tendencies
501       MODULE PROCEDURE wtm_tendencies
502       MODULE PROCEDURE wtm_tendencies_ij
503    END INTERFACE wtm_tendencies
504   
505   
506    PUBLIC wtm_check_parameters, wtm_forces, wtm_init, wtm_init_arrays,        &
507           wtm_parin, wtm_wrd_global, wtm_rrd_global, wtm_tendencies
508
509
510 CONTAINS
511
512
513!------------------------------------------------------------------------------!
514! Description:
515! ------------
516!> Parin for &wind_turbine_par for wind turbine model
517!------------------------------------------------------------------------------!
518    SUBROUTINE wtm_parin
519
520
521       IMPLICIT NONE
522       
523       CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< dummy string that contains the current line of the parameter file
524
525       NAMELIST /wind_turbine_par/   air_dens, dtow, gear_eff, gear_ratio,     &
526                                  gen_eff, inertia_gen, inertia_rot, max_miss, &
527                                  max_torque_gen, max_trq_rate, min_miss,      &
528                                  min_reg15, min_reg2, nairfoils, nturbines,   &
529                                  omega_rot, phi_yaw, pitch_add, pitch_control,&
530                                  rated_genspeed, rated_power, rcx, rcy, rcz,  &
531                                  rnac, rr, segment_length, segment_width,     &
532                                  slope2, speed_control, tilt, time_turbine_on,&
533                                  turb_cd_tower, pitch_rate,                   &
534                                  yaw_control, yaw_speed, tl_cor
535!                                  , turb_cd_nacelle
536                                 
537       NAMELIST /wind_turbine_parameters/                                      &
538                                  air_dens, dtow, gear_eff, gear_ratio,        &
539                                  gen_eff, inertia_gen, inertia_rot, max_miss, &
540                                  max_torque_gen, max_trq_rate, min_miss,      &
541                                  min_reg15, min_reg2, nairfoils, nturbines,   &
542                                  omega_rot, phi_yaw, pitch_add, pitch_control,&
543                                  rated_genspeed, rated_power, rcx, rcy, rcz,  &
544                                  rnac, rr, segment_length, segment_width,     &
545                                  slope2, speed_control, tilt, time_turbine_on,&
546                                  turb_cd_tower, pitch_rate,                   &
547                                  yaw_control, yaw_speed, tl_cor
548!                                  , turb_cd_nacelle
549!
550!--    Try to find wind turbine model package
551       REWIND ( 11 )
552       line = ' '
553       DO WHILE ( INDEX( line, '&wind_turbine_parameters' ) == 0 )
554          READ ( 11, '(A)', END=12 )  line
555       ENDDO
556       BACKSPACE ( 11 )
557
558!
559!--    Read user-defined namelist
560       READ ( 11, wind_turbine_parameters, ERR = 10 )
561!
562!--    Set flag that indicates that the wind turbine model is switched on
563       wind_turbine = .TRUE.
564       
565       GOTO 14
566
567 10    BACKSPACE( 11 )
568       READ( 11 , '(A)') line
569       CALL parin_fail_message( 'wind_turbine_parameters', line )
570
571!
572!--    Try to find wind turbine model package
573 12    REWIND ( 11 )
574       line = ' '
575       DO WHILE ( INDEX( line, '&wind_turbine_par' ) == 0 )
576          READ ( 11, '(A)', END=14 )  line
577       ENDDO
578       BACKSPACE ( 11 )
579
580!
581!--    Read user-defined namelist
582       READ ( 11, wind_turbine_par, ERR = 13, END = 14 )
583     
584       message_string = 'namelist wind_tubrine_par is deprecated and will ' // &
585                        'be removed in near future. &Please use namelist ' //  &
586                        'wind_turbine_parameters instead' 
587       CALL message( 'wtm_parin', 'PA0487', 0, 1, 0, 6, 0 )     
588     
589!
590!--    Set flag that indicates that the wind turbine model is switched on
591       wind_turbine = .TRUE.
592
593       GOTO 14
594
595 13    BACKSPACE( 11 )
596       READ( 11 , '(A)') line
597       CALL parin_fail_message( 'wind_turbine_par', line )
598
599 14    CONTINUE   ! TBD Change from continue, mit ierrn machen
600
601
602    END SUBROUTINE wtm_parin
603
604
605!------------------------------------------------------------------------------!
606! Description:
607! ------------
608!> This routine writes the respective restart data.
609!------------------------------------------------------------------------------!
610    SUBROUTINE wtm_wrd_global 
611
612
613       IMPLICIT NONE
614
615       
616       CALL wrd_write_string( 'omega_gen' )
617       WRITE ( 14 )  omega_gen
618
619       CALL wrd_write_string( 'omega_gen_f' )
620       WRITE ( 14 )  omega_gen_f
621
622       CALL wrd_write_string( 'omega_gen_f_old' )
623       WRITE ( 14 )  omega_gen_f_old
624
625       CALL wrd_write_string( 'omega_gen_old' )
626       WRITE ( 14 )  omega_gen_old
627
628       CALL wrd_write_string( 'omega_rot' )
629       WRITE ( 14 )  omega_rot
630
631       CALL wrd_write_string( 'phi_yaw' )
632       WRITE ( 14 )  phi_yaw
633
634       CALL wrd_write_string( 'pitch_add' )
635       WRITE ( 14 )  pitch_add
636
637       CALL wrd_write_string( 'pitch_add_old' )
638       WRITE ( 14 )  pitch_add_old
639
640       CALL wrd_write_string( 'torque_gen' )
641       WRITE ( 14 )  torque_gen
642
643       CALL wrd_write_string( 'torque_gen_old' )
644       WRITE ( 14 )  torque_gen_old
645
646       
647    END SUBROUTINE wtm_wrd_global   
648
649
650!------------------------------------------------------------------------------!
651! Description:
652! ------------
653!> This routine reads the respective restart data.
654!------------------------------------------------------------------------------!
655 SUBROUTINE wtm_rrd_global( found )
656
657
658    USE control_parameters,                                                    &
659        ONLY: length, restart_string
660
661
662    IMPLICIT NONE
663
664    LOGICAL, INTENT(OUT)  ::  found
665
666
667    found = .TRUE.
668
669
670    SELECT CASE ( restart_string(1:length) )
671
672       CASE ( 'omega_gen' )
673          READ ( 13 )  omega_gen
674       CASE ( 'omega_gen_f' )
675          READ ( 13 )  omega_gen_f
676       CASE ( 'omega_gen_f_old' )
677          READ ( 13 )  omega_gen_f_old
678       CASE ( 'omega_gen_old' )
679          READ ( 13 )  omega_gen_old
680       CASE ( 'omega_rot' )
681          READ ( 13 )  omega_rot
682       CASE ( 'phi_yaw' )
683          READ ( 13 )  phi_yaw
684       CASE ( 'pitch_add' )
685          READ ( 13 )  pitch_add
686       CASE ( 'pitch_add_old' )
687          READ ( 13 )  pitch_add_old
688       CASE ( 'torque_gen' )
689          READ ( 13 )  torque_gen
690       CASE ( 'torque_gen_old' )
691          READ ( 13 )  torque_gen_old
692
693       CASE DEFAULT
694
695          found = .FALSE.
696
697    END SELECT
698   
699
700 END SUBROUTINE wtm_rrd_global
701
702
703!------------------------------------------------------------------------------!
704! Description:
705! ------------
706!> Check namelist parameter
707!------------------------------------------------------------------------------!
708    SUBROUTINE wtm_check_parameters
709
710   
711       IMPLICIT NONE
712   
713       IF ( ( .NOT.speed_control ) .AND. pitch_control )  THEN
714          message_string = 'pitch_control = .TRUE. requires '//                &
715                           'speed_control = .TRUE.'
716          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0461', 1, 2, 0, 6, 0 )
717       ENDIF
718       
719       IF ( ANY( omega_rot(1:nturbines) < 0.0 ) )  THEN
720          message_string = 'omega_rot < 0.0, Please set omega_rot to '     // &
721                           'a value equal or larger than zero'
722          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0462', 1, 2, 0, 6, 0 )
723       ENDIF
724       
725       
726       IF ( ANY( rcx(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) .OR.                       &
727            ANY( rcy(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) .OR.                       &
728            ANY( rcz(1:nturbines) == 9999999.9_wp ) )  THEN
729         
730          message_string = 'rcx, rcy, rcz '                                 // &
731                           'have to be given for each turbine.'         
732          CALL message( 'wtm_check_parameters', 'PA0463', 1, 2, 0, 6, 0 )         
733         
734       ENDIF
735
736 
737    END SUBROUTINE wtm_check_parameters
738   
739                                       
740!------------------------------------------------------------------------------!
741! Description:
742! ------------
743!> Allocate wind turbine model arrays
744!------------------------------------------------------------------------------!
745    SUBROUTINE wtm_init_arrays
746
747
748       IMPLICIT NONE
749
750       REAL(wp) ::  delta_r_factor   !<
751       REAL(wp) ::  delta_r_init     !<
752
753!
754!--    To be able to allocate arrays with dimension of rotor rings and segments,
755!--    the maximum possible numbers of rings and segments have to be calculated:
756
757       ALLOCATE( nrings(1:nturbines) )
758       ALLOCATE( delta_r(1:nturbines) )
759
760       nrings(:)  = 0
761       delta_r(:) = 0.0_wp
762
763!
764!--    Thickness (radial) of each ring and length (tangential) of each segment:
765       delta_r_factor = segment_width
766       delta_t_factor = segment_length
767       delta_r_init   = delta_r_factor * MIN( dx, dy, dz(1))
768
769       DO inot = 1, nturbines
770!
771!--       Determine number of rings:
772          nrings(inot) = NINT( rr(inot) / delta_r_init )
773
774          delta_r(inot) = rr(inot) / nrings(inot)
775
776       ENDDO
777
778       nrings_max = MAXVAL(nrings)
779
780       ALLOCATE( nsegs(1:nrings_max,1:nturbines) )
781       ALLOCATE( nsegs_total(1:nturbines) )
782
783       nsegs(:,:)     = 0
784       nsegs_total(:) = 0
785
786
787       DO inot = 1, nturbines
788          DO ring = 1, nrings(inot)
789!
790!--          Determine number of segments for each ring:
791             nsegs(ring,inot) = MAX( 8, CEILING( delta_r_factor * pi *         &
792                                                 ( 2.0_wp * ring - 1.0_wp ) /  &
793                                                 delta_t_factor ) )
794          ENDDO
795!
796!--       Total sum of all rotor segments:
797          nsegs_total(inot) = SUM( nsegs(:,inot) )
798
799       ENDDO
800
801!
802!--    Maximum number of segments per ring:
803       nsegs_max = MAXVAL(nsegs)
804
805!!
806!!--    TODO: Folgendes im Header ausgeben!
807!       IF ( myid == 0 )  THEN
808!          PRINT*, 'nrings(1) = ', nrings(1)
809!          PRINT*, '--------------------------------------------------'
810!          PRINT*, 'nsegs(:,1) = ', nsegs(:,1)
811!          PRINT*, '--------------------------------------------------'
812!          PRINT*, 'nrings_max = ', nrings_max
813!          PRINT*, 'nsegs_max = ', nsegs_max
814!          PRINT*, 'nsegs_total(1) = ', nsegs_total(1)
815!       ENDIF
816
817
818!
819!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of turbines)
820       ALLOCATE( i_hub(1:nturbines) )
821       ALLOCATE( i_smear(1:nturbines) )
822       ALLOCATE( j_hub(1:nturbines) )
823       ALLOCATE( j_smear(1:nturbines) )
824       ALLOCATE( k_hub(1:nturbines) )
825       ALLOCATE( k_smear(1:nturbines) )
826       ALLOCATE( torque_total(1:nturbines) )
827       ALLOCATE( thrust_rotor(1:nturbines) )
828
829!
830!--    Allocation of the 1D arrays for yaw control
831       ALLOCATE( yawdir(1:nturbines) )
832       ALLOCATE( u_inflow(1:nturbines) )
833       ALLOCATE( wdir(1:nturbines) )
834       ALLOCATE( u_inflow_l(1:nturbines) )
835       ALLOCATE( wdir_l(1:nturbines) )
836       ALLOCATE( phi_yaw_l(1:nturbines) )
837       
838!
839!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of rotor segments)
840       ALLOCATE( alpha_attack(1:nsegs_max) )
841       ALLOCATE( chord(1:nsegs_max) )
842       ALLOCATE( phi_rel(1:nsegs_max) )
843       ALLOCATE( thrust_seg(1:nsegs_max) )
844       ALLOCATE( torque_seg_y(1:nsegs_max) )
845       ALLOCATE( torque_seg_z(1:nsegs_max) )
846       ALLOCATE( turb_cd(1:nsegs_max) )
847       ALLOCATE( turb_cl(1:nsegs_max) )
848       ALLOCATE( vrel(1:nsegs_max) )
849       ALLOCATE( vtheta(1:nsegs_max) )
850
851!
852!--    Allocate 2D arrays (dimension = number of rotor rings and segments)
853       ALLOCATE( rbx(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
854       ALLOCATE( rby(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
855       ALLOCATE( rbz(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
856       ALLOCATE( thrust_ring(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
857       ALLOCATE( torque_ring_y(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
858       ALLOCATE( torque_ring_z(1:nrings_max,1:nsegs_max) )
859
860!
861!--    Allocate additional 2D arrays
862       ALLOCATE( rotx(1:nturbines,1:3) )
863       ALLOCATE( roty(1:nturbines,1:3) )
864       ALLOCATE( rotz(1:nturbines,1:3) )
865
866!
867!--    Allocate 3D arrays (dimension = number of grid points)
868       ALLOCATE( nac_cd_surf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
869       ALLOCATE( rot_tend_x(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
870       ALLOCATE( rot_tend_y(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
871       ALLOCATE( rot_tend_z(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
872       ALLOCATE( thrust(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
873       ALLOCATE( torque_y(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
874       ALLOCATE( torque_z(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
875       ALLOCATE( tow_cd_surf(nzb:nzt+1,nysg:nyng,nxlg:nxrg) )
876
877!
878!--    Allocate additional 3D arrays
879       ALLOCATE( u_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
880       ALLOCATE( u_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
881       ALLOCATE( v_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
882       ALLOCATE( v_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
883       ALLOCATE( w_int(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
884       ALLOCATE( w_int_1_l(1:nturbines,1:nrings_max,1:nsegs_max) )
885
886!
887!--    All of the arrays are initialized with a value of zero:
888       i_hub(:)                 = 0
889       i_smear(:)               = 0
890       j_hub(:)                 = 0
891       j_smear(:)               = 0
892       k_hub(:)                 = 0
893       k_smear(:)               = 0
894       
895       torque_total(:)          = 0.0_wp
896       thrust_rotor(:)          = 0.0_wp
897
898       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
899          omega_gen(:)             = 0.0_wp
900          omega_gen_old(:)         = 0.0_wp
901          omega_gen_f(:)           = 0.0_wp
902          omega_gen_f_old(:)       = 0.0_wp
903          pitch_add_old(:)         = 0.0_wp
904          torque_gen(:)            = 0.0_wp
905          torque_gen_old(:)        = 0.0_wp
906       ENDIF
907
908       yawdir(:)                = 0.0_wp
909       wdir_l(:)                = 0.0_wp
910       wdir(:)                  = 0.0_wp
911       u_inflow(:)              = 0.0_wp
912       u_inflow_l(:)            = 0.0_wp
913       phi_yaw_l(:)             = 0.0_wp
914
915!
916!--    Allocate 1D arrays (dimension = number of rotor segments)
917       alpha_attack(:)          = 0.0_wp
918       chord(:)                 = 0.0_wp
919       phi_rel(:)               = 0.0_wp
920       thrust_seg(:)            = 0.0_wp
921       torque_seg_y(:)          = 0.0_wp
922       torque_seg_z(:)          = 0.0_wp
923       turb_cd(:)               = 0.0_wp
924       turb_cl(:)               = 0.0_wp
925       vrel(:)                  = 0.0_wp
926       vtheta(:)                = 0.0_wp
927
928       rbx(:,:)                 = 0.0_wp
929       rby(:,:)                 = 0.0_wp
930       rbz(:,:)                 = 0.0_wp
931       thrust_ring(:,:)         = 0.0_wp
932       torque_ring_y(:,:)       = 0.0_wp
933       torque_ring_z(:,:)       = 0.0_wp
934
935       rotx(:,:)                = 0.0_wp
936       roty(:,:)                = 0.0_wp
937       rotz(:,:)                = 0.0_wp
938
939       nac_cd_surf(:,:,:)       = 0.0_wp
940       rot_tend_x(:,:,:)        = 0.0_wp
941       rot_tend_y(:,:,:)        = 0.0_wp
942       rot_tend_z(:,:,:)        = 0.0_wp
943       thrust(:,:,:)            = 0.0_wp
944       torque_y(:,:,:)          = 0.0_wp
945       torque_z(:,:,:)          = 0.0_wp
946       tow_cd_surf(:,:,:)       = 0.0_wp
947
948       u_int(:,:,:)             = 0.0_wp
949       u_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
950       v_int(:,:,:)             = 0.0_wp
951       v_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
952       w_int(:,:,:)             = 0.0_wp
953       w_int_1_l(:,:,:)         = 0.0_wp
954
955
956    END SUBROUTINE wtm_init_arrays
957
958
959!------------------------------------------------------------------------------!
960! Description:
961! ------------
962!> Initialization of the wind turbine model
963!------------------------------------------------------------------------------!
964    SUBROUTINE wtm_init
965
966   
967       USE control_parameters,                                                 &
968           ONLY:  dz_stretch_level_start
969   
970       IMPLICIT NONE
971
972       INTEGER(iwp) ::  i  !< running index
973       INTEGER(iwp) ::  j  !< running index
974       INTEGER(iwp) ::  k  !< running index
975       
976!
977!--    Help variables for the smearing function       
978       REAL(wp) ::  eps_kernel       !<       
979       
980!
981!--    Help variables for calculation of the tower drag       
982       INTEGER(iwp) ::  tower_n      !<
983       INTEGER(iwp) ::  tower_s      !<
984       
985       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE :: circle_points  !<
986             
987       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacb       !<
988       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacl       !<
989       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nacr       !<
990       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: index_nact       !<
991       
992       CALL location_message( 'initializing wind turbine model', .FALSE. )
993       
994       ALLOCATE( index_nacb(1:nturbines) )
995       ALLOCATE( index_nacl(1:nturbines) )
996       ALLOCATE( index_nacr(1:nturbines) )
997       ALLOCATE( index_nact(1:nturbines) )
998
999!
1000!------------------------------------------------------------------------------!
1001!--    Calculation of parameters for the regularization kernel
1002!--    (smearing of the forces)
1003!------------------------------------------------------------------------------!
1004!
1005!--    In the following, some of the required parameters for the smearing will
1006!--    be calculated:
1007
1008!--    The kernel is set equal to twice the grid spacing which has turned out to
1009!--    be a reasonable value (see e.g. Troldborg et al. (2013), Wind Energy,
1010!--    DOI: 10.1002/we.1608):
1011       eps_kernel = 2.0_wp * dx
1012!
1013!--    The zero point (eps_min) of the polynomial function must be the following
1014!--    if the integral of the polynomial function (for values < eps_min) shall
1015!--    be equal to the integral of the Gaussian function used before:
1016       eps_min = ( 105.0_wp / 32.0_wp )**( 1.0_wp / 3.0_wp ) *                 &
1017                 pi**( 1.0_wp / 6.0_wp ) * eps_kernel
1018!
1019!--    Stretching (non-uniform grid spacing) is not considered in the wind
1020!--    turbine model. Therefore, vertical stretching has to be applied above
1021!--    the area where the wtm is active. ABS (...) is required because the
1022!--    default value of dz_stretch_level_start is -9999999.9_wp (negative).
1023       IF ( ABS( dz_stretch_level_start(1) ) <= MAXVAL(rcz(1:nturbines)) +     &
1024                                                MAXVAL(rr(1:nturbines)) +      &
1025                                                eps_min)  THEN
1026          WRITE( message_string, * ) 'The lowest level where vertical ',       &
1027                                     'stretching is applied &have to be ',     &
1028                                     'greater than ',MAXVAL(rcz(1:nturbines)) +&
1029                                      MAXVAL(rr(1:nturbines)) + eps_min
1030          CALL message( 'wtm_init', 'PA0484', 1, 2, 0, 6, 0 )
1031       ENDIF
1032!
1033!--    Square of eps_min:
1034       eps_min2 = eps_min**2
1035!
1036!--    Parameters in the polynomial function:
1037       pol_a = 1.0_wp / eps_min**4
1038       pol_b = 2.0_wp / eps_min**2
1039!
1040!--    Normalization factor which is the inverse of the integral of the smearing
1041!--    function:
1042       eps_factor = 105.0_wp / ( 32.0_wp * pi * eps_min**3 )
1043       
1044!--    Change tilt angle to rad:
1045       tilt = tilt * pi / 180.0_wp
1046     
1047!
1048!--    Change yaw angle to rad:
1049       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
1050          phi_yaw(:) = phi_yaw(:) * pi / 180.0_wp
1051       ENDIF
1052
1053
1054       DO inot = 1, nturbines
1055!
1056!--       Rotate the rotor coordinates in case yaw and tilt are defined
1057          CALL wtm_rotate_rotor( inot )
1058         
1059!
1060!--       Determine the indices of the hub height
1061          i_hub(inot) = INT(   rcx(inot)                 / dx )
1062          j_hub(inot) = INT( ( rcy(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1063          k_hub(inot) = INT( ( rcz(inot) + 0.5_wp * dz(1) ) / dz(1) )
1064
1065!
1066!--       Determining the area to which the smearing of the forces is applied.
1067!--       As smearing now is effectively applied only for distances smaller than
1068!--       eps_min, the smearing area can be further limited and regarded as a
1069!--       function of eps_min:
1070          i_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dx )
1071          j_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dy )
1072          k_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) + eps_min ) / dz(1) )
1073       
1074       ENDDO
1075
1076!
1077!--    Call the wtm_init_speed_control subroutine and calculate the local
1078!--    omega_rot for the respective processor.
1079       IF ( speed_control)  THEN
1080       
1081          CALL wtm_speed_control
1082
1083          IF ( TRIM( initializing_actions ) == 'read_restart_data' ) THEN
1084
1085             DO inot = 1, nturbines
1086
1087                IF ( nxl > i_hub(inot) ) THEN
1088                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1089                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1090                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1091                ENDIF
1092
1093                IF ( nxr < i_hub(inot) ) THEN
1094                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1095                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1096                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1097                ENDIF
1098
1099                IF ( nys > j_hub(inot) ) THEN
1100                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1101                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1102                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1103                ENDIF
1104
1105                IF ( nyn < j_hub(inot) ) THEN
1106                   torque_gen(inot) = 0.0_wp
1107                   omega_gen_f(inot) = 0.0_wp
1108                   omega_rot_l(inot) = 0.0_wp
1109                ENDIF
1110
1111                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) ) .AND. ( nxr >= i_hub(inot) ) ) THEN
1112                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) ) .AND. ( nyn >= j_hub(inot) ) ) THEN
1113
1114                      omega_rot_l(inot) = omega_gen(inot) / gear_ratio
1115
1116                   ENDIF
1117                ENDIF
1118
1119             END DO
1120
1121          ENDIF
1122
1123       ENDIF
1124
1125!
1126!------------------------------------------------------------------------------!
1127!--    Determine the area within each grid cell that overlaps with the area
1128!--    of the nacelle and the tower (needed for calculation of the forces)
1129!------------------------------------------------------------------------------!
1130!
1131!--    Note: so far this is only a 2D version, in that the mean flow is
1132!--    perpendicular to the rotor area.
1133
1134!
1135!--    Allocation of the array containing information on the intersection points
1136!--    between rotor disk and the numerical grid:
1137       upper_end = ( ny + 1 ) * 10000 
1138
1139       ALLOCATE( circle_points(1:2,1:upper_end) )
1140       
1141       circle_points(:,:) = 0.0_wp
1142
1143       
1144       DO inot = 1, nturbines                     ! loop over number of turbines
1145!
1146!--       Determine the grid index (u-grid) that corresponds to the location of
1147!--       the rotor center (reduces the amount of calculations in the case that
1148!--       the mean flow is perpendicular to the rotor area):
1149          i = i_hub(inot)
1150
1151!
1152!--       Determine the left and the right edge of the nacelle (corresponding
1153!--       grid point indices):
1154          index_nacl(inot) = INT( ( rcy(inot) - rnac(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1155          index_nacr(inot) = INT( ( rcy(inot) + rnac(inot) + 0.5_wp * dy ) / dy )
1156!
1157!--       Determine the bottom and the top edge of the nacelle (corresponding
1158!--       grid point indices).The grid point index has to be increased by 1, as
1159!--       the first level for the u-component (index 0) is situated below the
1160!--       surface. All points between z=0 and z=dz/s would already be contained
1161!--       in grid box 1.
1162          index_nacb(inot) = INT( ( rcz(inot) - rnac(inot) ) / dz(1) ) + 1
1163          index_nact(inot) = INT( ( rcz(inot) + rnac(inot) ) / dz(1) ) + 1
1164
1165!
1166!--       Determine the indices of the grid boxes containing the left and
1167!--       the right boundaries of the tower:
1168          tower_n = ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) - 0.5_wp * dy ) / dy
1169          tower_s = ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) - 0.5_wp * dy ) / dy
1170
1171!
1172!--       Determine the fraction of the grid box area overlapping with the tower
1173!--       area and multiply it with the drag of the tower:
1174          IF ( ( nxlg <= i )  .AND.  ( nxrg >= i ) )  THEN
1175
1176             DO  j = nys, nyn
1177!
1178!--             Loop from south to north boundary of tower
1179                IF ( ( j >= tower_s )  .AND.  ( j <= tower_n ) )  THEN
1180
1181                   DO  k = nzb, nzt
1182
1183                      IF ( k == k_hub(inot) )  THEN
1184                         IF ( tower_n - tower_s >= 1 )  THEN
1185!
1186!--                      leftmost and rightmost grid box:
1187                            IF ( j == tower_s )  THEN
1188                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) -              &
1189                                    ( k_hub(inot) * dz(1) - 0.5_wp * dz(1) ) )*& ! extension in z-direction
1190                                  ( ( tower_s + 1.0_wp + 0.5_wp ) * dy    -    &
1191                                    ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) ) ) *    & ! extension in y-direction
1192                                  turb_cd_tower(inot)
1193                            ELSEIF ( j == tower_n )  THEN
1194                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot)            -   &
1195                                    ( k_hub(inot) * dz(1) - 0.5_wp * dz(1) ) )*& ! extension in z-direction
1196                                  ( ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) )   -    &
1197                                    ( tower_n + 0.5_wp ) * dy )           *    & ! extension in y-direction
1198                                  turb_cd_tower(inot)
1199!
1200!--                         grid boxes inbetween
1201!--                         (where tow_cd_surf = grid box area):
1202                            ELSE
1203                               tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) -              &
1204                                    ( k_hub(inot) * dz(1) - 0.5_wp * dz(1) ) )*&
1205                                    dy * turb_cd_tower(inot)
1206                            ENDIF
1207!
1208!--                      tower lies completely within one grid box:
1209                         ELSE
1210                            tow_cd_surf(k,j,i) = ( rcz(inot) - ( k_hub(inot) * &
1211                                       dz(1) - 0.5_wp * dz(1) ) ) *            &
1212                                       dtow(inot) * turb_cd_tower(inot)
1213                         ENDIF
1214!
1215!--                  In case that k is smaller than k_hub the following actions
1216!--                  are carried out:
1217                      ELSEIF ( k < k_hub(inot) )  THEN
1218                     
1219                         IF ( ( tower_n - tower_s ) >= 1 )  THEN
1220!
1221!--                         leftmost and rightmost grid box:
1222                            IF ( j == tower_s )  THEN                         
1223                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz(1) * (                  &
1224                                      ( tower_s + 1 + 0.5_wp ) * dy         -  &
1225                                      ( rcy(inot) - 0.5_wp * dtow(inot) )      &
1226                                                        ) * turb_cd_tower(inot)
1227                            ELSEIF ( j == tower_n )  THEN
1228                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz(1) * (                  &
1229                                      ( rcy(inot) + 0.5_wp * dtow(inot) )   -  &
1230                                      ( tower_n + 0.5_wp ) * dy                &
1231                                                         ) * turb_cd_tower(inot)
1232!
1233!--                         grid boxes inbetween
1234!--                         (where tow_cd_surf = grid box area):
1235                            ELSE
1236                               tow_cd_surf(k,j,i) = dz(1) * dy *               &
1237                                                    turb_cd_tower(inot)
1238                            ENDIF
1239!
1240!--                         tower lies completely within one grid box:
1241                         ELSE
1242                            tow_cd_surf(k,j,i) = dz(1) * dtow(inot) *          &
1243                                                turb_cd_tower(inot)
1244                         ENDIF ! end if larger than grid box
1245
1246                      ENDIF    ! end if k == k_hub
1247
1248                   ENDDO       ! end loop over k
1249
1250                ENDIF          ! end if inside north and south boundary of tower
1251
1252             ENDDO             ! end loop over j
1253
1254          ENDIF                ! end if hub inside domain + ghostpoints
1255       
1256         
1257          CALL exchange_horiz( tow_cd_surf, nbgp )
1258
1259!
1260!--       Calculation of the nacelle area
1261!--       CAUTION: Currently disabled due to segmentation faults on the FLOW HPC
1262!--                cluster (Oldenburg)
1263!!
1264!!--       Tabulate the points on the circle that are required in the following for
1265!!--       the calculation of the Riemann integral (node points; they are called
1266!!--       circle_points in the following):
1267!
1268!          dy_int = dy / 10000.0_wp
1269!
1270!          DO  i_ip = 1, upper_end
1271!             yvalue   = dy_int * ( i_ip - 0.5_wp ) + 0.5_wp * dy           !<--- segmentation fault
1272!             sqrt_arg = rnac(inot)**2 - ( yvalue - rcy(inot) )**2          !<--- segmentation fault
1273!             IF ( sqrt_arg >= 0.0_wp )  THEN
1274!!
1275!!--             bottom intersection point
1276!                circle_points(1,i_ip) = rcz(inot) - SQRT( sqrt_arg )
1277!!
1278!!--             top intersection point
1279!                circle_points(2,i_ip) = rcz(inot) + SQRT( sqrt_arg )       !<--- segmentation fault
1280!             ELSE
1281!                circle_points(:,i_ip) = -111111                            !<--- segmentation fault
1282!             ENDIF
1283!          ENDDO
1284!
1285!
1286!          DO  j = nys, nyn
1287!!
1288!!--          In case that the grid box is located completely outside the nacelle
1289!!--          (y) it can automatically be stated that there is no overlap between
1290!!--          the grid box and the nacelle and consequently we can set
1291!!--          nac_cd_surf(:,j,i) = 0.0:
1292!             IF ( ( j >= index_nacl(inot) )  .AND.  ( j <= index_nacr(inot) ) )  THEN
1293!                DO  k = nzb+1, nzt
1294!!
1295!!--                In case that the grid box is located completely outside the
1296!!--                nacelle (z) it can automatically be stated that there is no
1297!!--                overlap between the grid box and the nacelle and consequently
1298!!--                we can set nac_cd_surf(k,j,i) = 0.0:
1299!                   IF ( ( k >= index_nacb(inot) )  .OR.                           &
1300!                        ( k <= index_nact(inot) ) )  THEN
1301!!
1302!!--                   For all other cases Riemann integrals are calculated.
1303!!--                   Here, the points on the circle that have been determined
1304!!--                   above are used in order to calculate the overlap between the
1305!!--                   gridbox and the nacelle area (area approached by 10000
1306!!--                   rectangulars dz_int * dy_int):
1307!                      DO  i_ipg = 1, 10000
1308!                         dz_int = dz
1309!                         i_ip = j * 10000 + i_ipg
1310!!
1311!!--                      Determine the vertical extension dz_int of the circle
1312!!--                      within the current grid box:
1313!                         IF ( ( circle_points(2,i_ip) < zw(k) ) .AND.          &  !<--- segmentation fault
1314!                              ( circle_points(2,i_ip) >= zw(k-1) ) ) THEN
1315!                            dz_int = dz_int -                                  &  !<--- segmentation fault
1316!                                     ( zw(k) - circle_points(2,i_ip) )
1317!                         ENDIF
1318!                         IF ( ( circle_points(1,i_ip) <= zw(k) ) .AND.         &  !<--- segmentation fault
1319!                              ( circle_points(1,i_ip) > zw(k-1) ) ) THEN
1320!                            dz_int = dz_int -                                  &
1321!                                     ( circle_points(1,i_ip) - zw(k-1) )
1322!                         ENDIF
1323!                         IF ( zw(k-1) > circle_points(2,i_ip) ) THEN
1324!                            dz_int = 0.0_wp
1325!                         ENDIF
1326!                         IF ( zw(k) < circle_points(1,i_ip) ) THEN
1327!                            dz_int = 0.0_wp                     
1328!                         ENDIF
1329!                         IF ( ( nxlg <= i ) .AND. ( nxrg >= i ) ) THEN
1330!                            nac_cd_surf(k,j,i) = nac_cd_surf(k,j,i) +        &  !<--- segmentation fault
1331!                                                  dy_int * dz_int * turb_cd_nacelle(inot)
1332!                         ENDIF   
1333!                      ENDDO
1334!                   ENDIF
1335!                ENDDO
1336!             ENDIF
1337!
1338!          ENDDO
1339!       
1340!          CALL exchange_horiz( nac_cd_surf, nbgp )                                !<---  segmentation fault
1341
1342       ENDDO   ! end of loop over turbines
1343
1344       tow_cd_surf   = tow_cd_surf   / ( dx * dy * dz(1) )  ! Normalize tower drag
1345       nac_cd_surf = nac_cd_surf / ( dx * dy * dz(1) )      ! Normalize nacelle drag
1346
1347       CALL wtm_read_blade_tables
1348
1349       CALL location_message( 'finished', .TRUE. )
1350 
1351    END SUBROUTINE wtm_init
1352
1353
1354!------------------------------------------------------------------------------!
1355! Description:
1356! ------------
1357!> Read in layout of the rotor blade , the lift and drag tables
1358!> and the distribution of lift and drag tables along the blade
1359!------------------------------------------------------------------------------!
1360!
1361    SUBROUTINE wtm_read_blade_tables
1362
1363
1364       IMPLICIT NONE
1365
1366       INTEGER(iwp) ::  ii   !< running index
1367       INTEGER(iwp) ::  jj   !< running index
1368   
1369       INTEGER(iwp) ::  ierrn       !<
1370   
1371       CHARACTER(200) :: chmess     !< Read in string
1372
1373       INTEGER(iwp) ::  dlen        !< no. rows of local table
1374       INTEGER(iwp) ::  dlenbl      !< no. rows of cd, cl table
1375       INTEGER(iwp) ::  ialpha      !< table position of current alpha value
1376       INTEGER(iwp) ::  iialpha     !<
1377       INTEGER(iwp) ::  iir         !<
1378       INTEGER(iwp) ::  radres      !< radial resolution
1379       INTEGER(iwp) ::  t1          !< no. of airfoil
1380       INTEGER(iwp) ::  t2          !< no. of airfoil
1381       INTEGER(iwp) ::  trow        !<
1382       INTEGER(iwp) ::  dlenbl_int  !< no. rows of interpolated cd, cl tables
1383   
1384       REAL(wp) :: alpha_attack_i   !<
1385       REAL(wp) :: weight_a         !<
1386       REAL(wp) :: weight_b         !<
1387
1388       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: ttoint1    !<
1389       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: ttoint2    !<
1390   
1391       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cd_sel1   !<
1392       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cd_sel2   !<
1393       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cl_sel1   !<
1394       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: turb_cl_sel2   !<
1395       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: read_cl_cd     !< read in var array
1396             
1397       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: alpha_attack_tab   !<
1398       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: trad1              !<
1399       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE    :: trad2              !<         
1400       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE  :: turb_cd_table      !<
1401       REAL(wp), DIMENSION(:,:), ALLOCATABLE  :: turb_cl_table      !<
1402                                         
1403       ALLOCATE ( read_cl_cd(1:2*nairfoils+1) )
1404
1405!
1406!--    Read in the distribution of lift and drag tables along the blade, the
1407!--    layout of the rotor blade and the lift and drag tables:
1408
1409       OPEN ( 90, FILE='WTM_DATA', STATUS='OLD', FORM='FORMATTED', IOSTAT=ierrn )
1410
1411       IF ( ierrn /= 0 )  THEN
1412          message_string = 'file WTM_DATA does not exist'
1413          CALL message( 'wtm_init', 'PA0464', 1, 2, 0, 6, 0 )
1414       ENDIF
1415!
1416!--    Read distribution table:
1417
1418       dlen = 0
1419
1420       READ ( 90, '(3/)' )
1421
1422       rloop3: DO
1423          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1424          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop3
1425          dlen = dlen + 1
1426       ENDDO rloop3
1427
1428       ALLOCATE( trad1(1:dlen), trad2(1:dlen), ttoint1(1:dlen), ttoint2(1:dlen))
1429
1430       DO jj = 1,dlen+1
1431          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1432       ENDDO
1433
1434       DO jj = 1,dlen
1435          READ ( 90, * ) trad1(jj), trad2(jj), ttoint1(jj), ttoint2(jj)
1436       ENDDO
1437
1438!
1439!--    Read layout table:
1440
1441       dlen = 0 
1442
1443       READ ( 90, '(3/)')
1444
1445       rloop1: DO
1446          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1447          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop1
1448          dlen = dlen + 1
1449       ENDDO rloop1
1450
1451       ALLOCATE( lrd(1:dlen), ard(1:dlen), crd(1:dlen) )
1452       DO jj = 1, dlen+1
1453          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1454       ENDDO             
1455       DO jj = 1, dlen
1456          READ ( 90, * ) lrd(jj), ard(jj), crd(jj) 
1457       ENDDO
1458
1459!
1460!--    Read tables (turb_cl(alpha),turb_cd(alpha) for the different profiles:
1461
1462       dlen = 0
1463
1464       READ ( 90, '(3/)' )
1465
1466       rloop2: DO
1467          READ ( 90, *, IOSTAT=ierrn ) chmess
1468          IF ( ierrn < 0  .OR.  chmess == '#'  .OR.  chmess == '')  EXIT rloop2
1469          dlen = dlen + 1
1470       ENDDO rloop2
1471
1472       ALLOCATE( alpha_attack_tab(1:dlen), turb_cl_table(1:dlen,1:nairfoils),  &
1473                 turb_cd_table(1:dlen,1:nairfoils) )
1474
1475       DO jj = 1,dlen+1
1476          BACKSPACE ( 90, IOSTAT=ierrn )
1477       ENDDO
1478
1479       DO jj = 1,dlen
1480          READ ( 90, * ) read_cl_cd
1481          alpha_attack_tab(jj) = read_cl_cd(1)
1482          DO ii= 1, nairfoils
1483             turb_cl_table(jj,ii) = read_cl_cd(ii*2)
1484             turb_cd_table(jj,ii) = read_cl_cd(ii*2+1)
1485          ENDDO
1486
1487       ENDDO
1488
1489       dlenbl = dlen
1490
1491       CLOSE ( 90 )
1492
1493!
1494!--    For each possible radial position (resolution: 0.1 m --> 631 values if rr(1)=63m)
1495!--    and each possible angle of attack (resolution: 0.1 degrees --> 3601 values!)
1496!--    determine the lift and drag coefficient by interpolating between the
1497!--    tabulated values of each table (interpolate to current angle of attack)
1498!--    and between the tables (interpolate to current radial position):
1499
1500       ALLOCATE( turb_cl_sel1(1:dlenbl) ) 
1501       ALLOCATE( turb_cl_sel2(1:dlenbl) ) 
1502       ALLOCATE( turb_cd_sel1(1:dlenbl) )
1503       ALLOCATE( turb_cd_sel2(1:dlenbl) )
1504
1505       radres     = INT( rr(1) * 10.0_wp ) + 1_iwp
1506       dlenbl_int = INT( 360.0_wp / accu_cl_cd_tab ) + 1_iwp
1507
1508       ALLOCATE( turb_cl_tab(1:dlenbl_int,1:radres) )
1509       ALLOCATE( turb_cd_tab(1:dlenbl_int,1:radres) )
1510
1511       DO iir = 1, radres ! loop over radius
1512
1513          cur_r = ( iir - 1_iwp ) * 0.1_wp
1514!
1515!--       Find position in table 1
1516          lct = MINLOC( ABS( trad1 - cur_r ) )
1517!             lct(1) = lct(1)
1518
1519          IF ( ( trad1(lct(1)) - cur_r ) .GT. 0.0 )  THEN
1520             lct(1) = lct(1) - 1
1521          ENDIF
1522
1523          trow = lct(1)
1524!
1525!--       Calculate weights for radius interpolation
1526          weight_a = ( trad2(trow) - cur_r ) / ( trad2(trow) - trad1(trow) )
1527          weight_b = ( cur_r - trad1(trow) ) / ( trad2(trow) - trad1(trow) )
1528          t1 = ttoint1(trow)
1529          t2 = ttoint2(trow)
1530
1531          IF ( t1 .EQ. t2 ) THEN  ! if both are the same, the weights are NaN
1532             weight_a = 0.5_wp    ! then do interpolate in between same twice
1533             weight_b = 0.5_wp    ! using 0.5 as weight
1534          ENDIF
1535
1536          IF ( t1 == 0 .AND. t2 == 0 ) THEN
1537             turb_cd_sel1 = 0.0_wp
1538             turb_cd_sel2 = 0.0_wp
1539             turb_cl_sel1 = 0.0_wp
1540             turb_cl_sel2 = 0.0_wp
1541
1542             turb_cd_tab(1,iir) = 0.0_wp  ! For -180 degrees (iialpha=1) the values   
1543             turb_cl_tab(1,iir) = 0.0_wp  ! for each radius has to be set
1544                                          ! explicitly             
1545          ELSE
1546             turb_cd_sel1 = turb_cd_table(:,t1)
1547             turb_cd_sel2 = turb_cd_table(:,t2)
1548             turb_cl_sel1 = turb_cl_table(:,t1)
1549             turb_cl_sel2 = turb_cl_table(:,t2)
1550!
1551!--          For -180 degrees (iialpha=1) the values for each radius has to be set
1552!--          explicitly
1553             turb_cd_tab(1,iir) = ( weight_a * turb_cd_table(1,t1) + weight_b  & 
1554                                  * turb_cd_table(1,t2) )   
1555             turb_cl_tab(1,iir) = ( weight_a * turb_cl_table(1,t1) + weight_b  & 
1556                                  * turb_cl_table(1,t2) ) 
1557          ENDIF
1558
1559          DO iialpha = 2, dlenbl_int  ! loop over angles
1560             
1561             alpha_attack_i = -180.0_wp + REAL( iialpha-1 ) * accu_cl_cd_tab
1562             ialpha = 1
1563             
1564             DO WHILE ( ( alpha_attack_i > alpha_attack_tab(ialpha) ) .AND. (ialpha <= dlen ) )
1565                ialpha = ialpha + 1
1566             ENDDO
1567
1568!
1569!--          Interpolation of lift and drag coefficiencts on fine grid of radius
1570!--          segments and angles of attack
1571
1572             turb_cl_tab(iialpha,iir) = ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1573                                          alpha_attack_i ) /                   &
1574                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1575                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1576                                        ( weight_a * turb_cl_sel1(ialpha-1) +  &
1577                                          weight_b * turb_cl_sel2(ialpha-1) ) +&
1578                                        ( alpha_attack_i             -         &
1579                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) /       &
1580                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1581                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1582                                        ( weight_a * turb_cl_sel1(ialpha) +    &
1583                                          weight_b * turb_cl_sel2(ialpha) )
1584             turb_cd_tab(iialpha,iir) = ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1585                                          alpha_attack_i ) /                   &
1586                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1587                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1588                                        ( weight_a * turb_cd_sel1(ialpha-1) +  &
1589                                          weight_b * turb_cd_sel2(ialpha-1) ) +&
1590                                        ( alpha_attack_i             -         &
1591                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) /       &
1592                                        ( alpha_attack_tab(ialpha) -           &
1593                                          alpha_attack_tab(ialpha-1) ) *       &
1594                                        ( weight_a * turb_cd_sel1(ialpha) +    &
1595                                          weight_b * turb_cd_sel2(ialpha) )
1596           
1597          ENDDO   ! end loop over angles of attack
1598         
1599       ENDDO   ! end loop over radius
1600
1601
1602    END SUBROUTINE wtm_read_blade_tables
1603
1604
1605!------------------------------------------------------------------------------!
1606! Description:
1607! ------------
1608!> The projection matrix for the coordinate system of therotor disc in respect
1609!> to the yaw and tilt angle of the rotor is calculated
1610!------------------------------------------------------------------------------!
1611    SUBROUTINE wtm_rotate_rotor( inot )
1612
1613
1614       IMPLICIT NONE
1615
1616       INTEGER(iwp) :: inot
1617!
1618!--    Calculation of the rotation matrix for the application of the tilt to
1619!--    the rotors
1620       rot_eigen_rad(1) = SIN( phi_yaw(inot) )    ! x-component of the radial eigenvector
1621       rot_eigen_rad(2) = COS( phi_yaw(inot) )    ! y-component of the radial eigenvector
1622       rot_eigen_rad(3) = 0.0_wp                  ! z-component of the radial eigenvector
1623
1624       rot_eigen_azi(1) = 0.0_wp                  ! x-component of the azimuth eigenvector
1625       rot_eigen_azi(2) = 0.0_wp                  ! y-component of the azimuth eigenvector
1626       rot_eigen_azi(3) = 1.0_wp                  ! z-component of the azimuth eigenvector
1627
1628       rot_eigen_nor(1) =  COS( phi_yaw(inot) )   ! x-component of the normal eigenvector
1629       rot_eigen_nor(2) = -SIN( phi_yaw(inot) )   ! y-component of the normal eigenvector
1630       rot_eigen_nor(3) = 0.0_wp                  ! z-component of the normal eigenvector
1631   
1632!
1633!--    Calculation of the coordinate transformation matrix to apply a tilt to
1634!--    the rotor. If tilt = 0, rot_coord_trans is a unit matrix.
1635
1636       rot_coord_trans(inot,1,1) = rot_eigen_rad(1)**2                   *     &
1637                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt ) 
1638       rot_coord_trans(inot,1,2) = rot_eigen_rad(1) * rot_eigen_rad(2)   *     &
1639                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1640                                   rot_eigen_rad(3) * SIN( tilt )
1641       rot_coord_trans(inot,1,3) = rot_eigen_rad(1) * rot_eigen_rad(3)   *     &
1642                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1643                                   rot_eigen_rad(2) * SIN( tilt )
1644       rot_coord_trans(inot,2,1) = rot_eigen_rad(2) * rot_eigen_rad(1)   *     &
1645                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1646                                   rot_eigen_rad(3) * SIN( tilt )
1647       rot_coord_trans(inot,2,2) = rot_eigen_rad(2)**2                   *     &
1648                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt ) 
1649       rot_coord_trans(inot,2,3) = rot_eigen_rad(2) * rot_eigen_rad(3)   *     &
1650                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1651                                   rot_eigen_rad(1) * SIN( tilt )
1652       rot_coord_trans(inot,3,1) = rot_eigen_rad(3) * rot_eigen_rad(1)   *     &
1653                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              -     &
1654                                   rot_eigen_rad(2) * SIN( tilt )
1655       rot_coord_trans(inot,3,2) = rot_eigen_rad(3) * rot_eigen_rad(2)   *     &
1656                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) )              +     &
1657                                   rot_eigen_rad(1) * SIN( tilt )
1658       rot_coord_trans(inot,3,3) = rot_eigen_rad(3)**2                   *     &
1659                                   ( 1.0_wp - COS( tilt ) ) + COS( tilt )
1660
1661!
1662!--    Vectors for the Transformation of forces from the rotor's spheric
1663!--    coordinate system to the cartesian coordinate system
1664       rotx(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_nor )
1665       roty(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_rad )
1666       rotz(inot,:) = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rot_eigen_azi )
1667   
1668    END SUBROUTINE wtm_rotate_rotor
1669
1670
1671!------------------------------------------------------------------------------!
1672! Description:
1673! ------------
1674!> Calculation of the forces generated by the wind turbine
1675!------------------------------------------------------------------------------!
1676    SUBROUTINE wtm_forces
1677
1678
1679       IMPLICIT NONE
1680
1681       CHARACTER (LEN=4) ::  turbine_id
1682
1683       INTEGER(iwp) ::  i, j, k          !< loop indices
1684       INTEGER(iwp) ::  inot             !< turbine loop index (turbine id)
1685       INTEGER(iwp) ::  iialpha, iir     !<
1686       INTEGER(iwp) ::  rseg             !<
1687       INTEGER(iwp) ::  ring             !<
1688       INTEGER(iwp) ::  ii, jj, kk       !<
1689   
1690       REAL(wp)     ::  flag               !< flag to mask topography grid points
1691       REAL(wp)     ::  sin_rot, cos_rot   !<
1692       REAL(wp)     ::  sin_yaw, cos_yaw   !<
1693       
1694       REAL(wp) ::  aa, bb, cc, dd  !< interpolation distances
1695       REAL(wp) ::  gg              !< interpolation volume var 
1696       
1697       REAL(wp) ::  dist_u_3d, dist_v_3d, dist_w_3d  !< smearing distances
1698
1699       
1700!
1701!      Variables for pitch control
1702       LOGICAL ::  pitch_sw = .FALSE.
1703
1704       INTEGER(iwp), DIMENSION(1) ::  lct = 0
1705       REAL(wp), DIMENSION(1)     ::  rad_d = 0.0_wp
1706       
1707       REAL(wp) :: tl_factor !< factor for tip loss correction
1708
1709
1710       CALL cpu_log( log_point_s(61), 'wtm_forces', 'start' )
1711
1712
1713       IF ( simulated_time >= time_turbine_on ) THEN
1714
1715!
1716!--       Set forces to zero for each new time step:
1717          thrust(:,:,:)         = 0.0_wp
1718          torque_y(:,:,:)       = 0.0_wp
1719          torque_z(:,:,:)       = 0.0_wp
1720          torque_total(:)       = 0.0_wp
1721          rot_tend_x(:,:,:)     = 0.0_wp
1722          rot_tend_y(:,:,:)     = 0.0_wp
1723          rot_tend_z(:,:,:)     = 0.0_wp
1724          thrust_rotor(:)       = 0.0_wp
1725!
1726!--       Loop over number of turbines:
1727          DO inot = 1, nturbines
1728
1729             cos_yaw = COS(phi_yaw(inot))
1730             sin_yaw = SIN(phi_yaw(inot))
1731!
1732!--          Loop over rings of each turbine:
1733             DO ring = 1, nrings(inot)
1734
1735                thrust_seg(:)   = 0.0_wp
1736                torque_seg_y(:) = 0.0_wp
1737                torque_seg_z(:) = 0.0_wp
1738!
1739!--             Determine distance between each ring (center) and the hub:
1740                cur_r = (ring - 0.5_wp) * delta_r(inot)
1741
1742!
1743!--             Loop over segments of each ring of each turbine:
1744                DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
1745!
1746!--                !-----------------------------------------------------------!
1747!--                !-- Determine coordinates of the ring segments            --!
1748!--                !-----------------------------------------------------------!
1749!
1750!--                Determine angle of ring segment towards zero degree angle of
1751!--                rotor system (at zero degree rotor direction vectors aligned
1752!--                with y-axis):
1753                   phi_rotor = rseg * 2.0_wp * pi / nsegs(ring,inot)
1754                   cos_rot   = COS( phi_rotor )
1755                   sin_rot   = SIN( phi_rotor )
1756
1757!--                Now the direction vectors can be determined with respect to
1758!--                the yaw and tilt angle:
1759                   re(1) = cos_rot * sin_yaw
1760                   re(2) = cos_rot * cos_yaw   
1761                   re(3) = sin_rot
1762
1763                   rote = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), re )
1764!
1765!--                Coordinates of the single segments (center points):
1766                   rbx(ring,rseg) = rcx(inot) + cur_r * rote(1)
1767                   rby(ring,rseg) = rcy(inot) + cur_r * rote(2)
1768                   rbz(ring,rseg) = rcz(inot) + cur_r * rote(3)
1769
1770!--                !-----------------------------------------------------------!
1771!--                !-- Interpolation of the velocity components from the     --!
1772!--                !-- cartesian grid point to the coordinates of each ring  --!
1773!--                !-- segment (follows a method used in the particle model) --!
1774!--                !-----------------------------------------------------------!
1775
1776                   u_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1777                   u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1778
1779                   v_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1780                   v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1781
1782                   w_int(inot,ring,rseg)     = 0.0_wp
1783                   w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1784
1785!
1786!--                Interpolation of the u-component:
1787
1788                   ii =   rbx(ring,rseg) * ddx
1789                   jj = ( rby(ring,rseg) - 0.5_wp * dy ) * ddy
1790                   kk = ( rbz(ring,rseg) + 0.5_wp * dz(1) ) / dz(1)
1791!
1792!--                Interpolate only if all required information is available on
1793!--                the current PE:
1794                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1795                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1796
1797                         aa = ( ( ii + 1          ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1798                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1799                         bb = ( rbx(ring,rseg) - ii * dx )                  *  &
1800                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1801                         cc = ( ( ii+1            ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1802                              ( rby(ring,rseg) - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1803                         dd = ( rbx(ring,rseg) -              ii * dx )     *  &
1804                              ( rby(ring,rseg) - ( jj + 0.5_wp ) * dy ) 
1805                         gg = dx * dy
1806
1807                         u_int_l = ( aa * u(kk,jj,ii)     +                    &
1808                                     bb * u(kk,jj,ii+1)   +                    &
1809                                     cc * u(kk,jj+1,ii)   +                    &
1810                                     dd * u(kk,jj+1,ii+1)                      &
1811                                   ) / gg
1812
1813                         u_int_u = ( aa * u(kk+1,jj,ii)     +                  &
1814                                     bb * u(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1815                                     cc * u(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1816                                     dd * u(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1817                                   ) / gg
1818
1819                         u_int_1_l(inot,ring,rseg) = u_int_l          +        &
1820                                     ( rbz(ring,rseg) - zu(kk) ) / dz(1) *     &
1821                                     ( u_int_u - u_int_l )
1822
1823                      ELSE
1824                         u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1825                      ENDIF
1826                   ELSE
1827                      u_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1828                   ENDIF
1829
1830
1831!
1832!--                Interpolation of the v-component:
1833                   ii = ( rbx(ring,rseg) - 0.5_wp * dx ) * ddx
1834                   jj =   rby(ring,rseg)                 * ddy
1835                   kk = ( rbz(ring,rseg) + 0.5_wp * dz(1) ) / dz(1) 
1836!
1837!--                Interpolate only if all required information is available on
1838!--                the current PE:
1839                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1840                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1841
1842                         aa = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1843                              ( ( jj + 1 )          * dy - rby(ring,rseg) )
1844                         bb = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1845                              ( ( jj + 1 ) * dy          - rby(ring,rseg) )
1846                         cc = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1847                              ( rby(ring,rseg)           -        jj * dy )
1848                         dd = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1849                              ( rby(ring,rseg)           -        jj * dy )
1850                         gg = dx * dy
1851
1852                         v_int_l = ( aa * v(kk,jj,ii)     +                    &
1853                                     bb * v(kk,jj,ii+1)   +                    &
1854                                     cc * v(kk,jj+1,ii)   +                    &
1855                                     dd * v(kk,jj+1,ii+1)                      &
1856                                   ) / gg
1857
1858                         v_int_u = ( aa * v(kk+1,jj,ii)     +                  &
1859                                     bb * v(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1860                                     cc * v(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1861                                     dd * v(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1862                                  ) / gg
1863
1864                         v_int_1_l(inot,ring,rseg) = v_int_l +                 &
1865                                     ( rbz(ring,rseg) - zu(kk) ) / dz(1) *     &
1866                                     ( v_int_u - v_int_l )
1867
1868                      ELSE
1869                         v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1870                      ENDIF
1871                   ELSE
1872                      v_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1873                   ENDIF
1874
1875
1876!
1877!--                Interpolation of the w-component:
1878                   ii = ( rbx(ring,rseg) - 0.5_wp * dx ) * ddx
1879                   jj = ( rby(ring,rseg) - 0.5_wp * dy ) * ddy
1880                   kk =   rbz(ring,rseg)                 / dz(1)
1881!
1882!--                Interpolate only if all required information is available on
1883!--                the current PE:
1884                   IF ( ( ii >= nxl )  .AND.  ( ii <= nxr ) )  THEN
1885                      IF ( ( jj >= nys )  .AND.  ( jj <= nyn ) )  THEN
1886
1887                         aa = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1888                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1889                         bb = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1890                              ( ( jj + 1 + 0.5_wp ) * dy - rby(ring,rseg) )
1891                         cc = ( ( ii + 1 + 0.5_wp ) * dx - rbx(ring,rseg) ) *  &
1892                              ( rby(ring,rseg)     - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1893                         dd = ( rbx(ring,rseg)     - ( ii + 0.5_wp ) * dx ) *  &
1894                              ( rby(ring,rseg)     - ( jj + 0.5_wp ) * dy )
1895                         gg = dx * dy
1896
1897                         w_int_l = ( aa * w(kk,jj,ii)     +                    &
1898                                     bb * w(kk,jj,ii+1)   +                    &
1899                                     cc * w(kk,jj+1,ii)   +                    &
1900                                     dd * w(kk,jj+1,ii+1)                      &
1901                                   ) / gg
1902
1903                         w_int_u = ( aa * w(kk+1,jj,ii)     +                  &
1904                                     bb * w(kk+1,jj,ii+1)   +                  &
1905                                     cc * w(kk+1,jj+1,ii)   +                  &
1906                                     dd * w(kk+1,jj+1,ii+1)                    &
1907                                    ) / gg
1908
1909                         w_int_1_l(inot,ring,rseg) = w_int_l +                 &
1910                                     ( rbz(ring,rseg) - zw(kk) ) / dz(1) *     &
1911                                     ( w_int_u - w_int_l )
1912                      ELSE
1913                         w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1914                      ENDIF
1915                   ELSE
1916                      w_int_1_l(inot,ring,rseg) = 0.0_wp
1917                   ENDIF
1918
1919                ENDDO
1920             ENDDO
1921
1922          ENDDO
1923
1924!
1925!--       Exchange between PEs (information required on each PE):
1926#if defined( __parallel )
1927          CALL MPI_ALLREDUCE( u_int_1_l, u_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1928                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1929          CALL MPI_ALLREDUCE( v_int_1_l, v_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1930                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1931          CALL MPI_ALLREDUCE( w_int_1_l, w_int, nturbines * MAXVAL(nrings) *   &
1932                              MAXVAL(nsegs), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
1933#else
1934          u_int = u_int_1_l
1935          v_int = v_int_1_l
1936          w_int = w_int_1_l
1937#endif
1938
1939
1940!
1941!--       Loop over number of turbines:
1942
1943          DO inot = 1, nturbines
1944pit_loop: DO
1945
1946             IF ( pitch_sw )  THEN
1947                torque_total(inot) = 0.0_wp
1948                thrust_rotor(inot) = 0.0_wp
1949                pitch_add(inot)    = pitch_add(inot) + 0.25_wp
1950!                 IF ( myid == 0 ) PRINT*, 'Pitch', inot, pitch_add(inot)
1951             ELSE
1952                cos_yaw = COS(phi_yaw(inot))
1953                sin_yaw = SIN(phi_yaw(inot))
1954                IF ( pitch_control )  THEN
1955                   pitch_add(inot) = MAX(pitch_add_old(inot) - pitch_rate *    &
1956                                         dt_3d , 0.0_wp )
1957                ENDIF
1958             ENDIF
1959
1960!
1961!--          Loop over rings of each turbine:
1962             DO ring = 1, nrings(inot)
1963!
1964!--             Determine distance between each ring (center) and the hub:
1965                cur_r = (ring - 0.5_wp) * delta_r(inot)
1966!
1967!--             Loop over segments of each ring of each turbine:
1968                DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
1969!
1970!--                Determine angle of ring segment towards zero degree angle of
1971!--                rotor system (at zero degree rotor direction vectors aligned
1972!--                with y-axis):
1973                   phi_rotor = rseg * 2.0_wp * pi / nsegs(ring,inot)
1974                   cos_rot   = COS(phi_rotor)
1975                   sin_rot   = SIN(phi_rotor)
1976!
1977!--                Now the direction vectors can be determined with respect to
1978!--                the yaw and tilt angle:
1979                   re(1) = cos_rot * sin_yaw
1980                   re(2) = cos_rot * cos_yaw
1981                   re(3) = sin_rot
1982
1983!                  The current unit vector in azimuthal direction:                         
1984                   rea(1) = - sin_rot * sin_yaw
1985                   rea(2) = - sin_rot * cos_yaw
1986                   rea(3) =   cos_rot
1987
1988!
1989!--                To respect the yawing angle for the calculations of
1990!--                velocities and forces the unit vectors perpendicular to the
1991!--                rotor area in direction of the positive yaw angle are defined:
1992                   ren(1) =   cos_yaw
1993                   ren(2) = - sin_yaw
1994                   ren(3) = 0.0_wp
1995!
1996!--                Multiplication with the coordinate transformation matrix
1997!--                gives the final unit vector with consideration of the rotor
1998!--                tilt:
1999                   rote = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), re )
2000                   rota = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), rea )
2001                   rotn = MATMUL( rot_coord_trans(inot,:,:), ren )
2002!
2003!--                Coordinates of the single segments (center points):
2004                   rbx(ring,rseg) = rcx(inot) + cur_r * rote(1)
2005
2006                   rby(ring,rseg) = rcy(inot) + cur_r * rote(2)
2007
2008                   rbz(ring,rseg) = rcz(inot) + cur_r * rote(3)
2009
2010!
2011!--                !-----------------------------------------------------------!
2012!--                !-- Calculation of various angles and relative velocities --!
2013!--                !-----------------------------------------------------------!
2014!
2015!--                In the following the 3D-velocity field is projected its
2016!--                components perpendicular and parallel to the rotor area
2017!--                The calculation of forces will be done in the rotor-
2018!--                coordinates y' and z.
2019!--                The yaw angle will be reintroduced when the force is applied
2020!--                on the hydrodynamic equations
2021!
2022!--                Projection of the xy-velocities relative to the rotor area
2023!
2024!--                Velocity perpendicular to the rotor area:
2025                   u_rot = u_int(inot,ring,rseg)*rotn(1) +                     &
2026                   v_int(inot,ring,rseg)*rotn(2) +                             &
2027                   w_int(inot,ring,rseg)*rotn(3)
2028!
2029!--                Projection of the 3D-velocity vector in the azimuthal
2030!--                direction:
2031                   vtheta(rseg) = rota(1) * u_int(inot,ring,rseg) +            & 
2032                                  rota(2) * v_int(inot,ring,rseg) +            &
2033                                  rota(3) * w_int(inot,ring,rseg)
2034!
2035!--                Determination of the angle phi_rel between the rotor plane
2036!--                and the direction of the flow relative to the rotor:
2037
2038                   phi_rel(rseg) = ATAN( u_rot /                               &
2039                                         ( omega_rot(inot) * cur_r -           &
2040                                           vtheta(rseg) ) )
2041
2042!
2043!--                Interpolation of the local pitch angle from tabulated values
2044!--                to the current radial position:
2045
2046                   lct=minloc(ABS(cur_r-lrd))
2047                   rad_d=cur_r-lrd(lct)
2048                   
2049                   IF (cur_r == 0.0_wp) THEN
2050                      alpha_attack(rseg) = 0.0_wp
2051                   ELSE IF (cur_r >= lrd(size(ard))) THEN
2052                      alpha_attack(rseg) = ( ard(size(ard)) +                  &
2053                                             ard(size(ard)-1) ) / 2.0_wp
2054                   ELSE
2055                      alpha_attack(rseg) = ( ard(lct(1)) *  &
2056                                             ( ( lrd(lct(1)+1) - cur_r ) /     &
2057                                               ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) &
2058                                             ) ) + ( ard(lct(1)+1) *           &
2059                                             ( ( cur_r - lrd(lct(1)) ) /       &
2060                                               ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) )
2061                   ENDIF
2062
2063!
2064!--                In Fortran radian instead of degree is used as unit for all
2065!--                angles. Therefore, a transformation from angles given in
2066!--                degree to angles given in radian is necessary here:
2067                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
2068                                        ( (2.0_wp*pi) / 360.0_wp )
2069!
2070!--                Substraction of the local pitch angle to obtain the local
2071!--                angle of attack:
2072                   alpha_attack(rseg) = phi_rel(rseg) - alpha_attack(rseg)
2073!
2074!--                Preliminary transformation back from angles given in radian
2075!--                to angles given in degree:
2076                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
2077                                        ( 360.0_wp / (2.0_wp*pi) )
2078!
2079!--                Correct with collective pitch angle:
2080                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) - pitch_add(inot)
2081
2082!
2083!--                Determination of the magnitude of the flow velocity relative
2084!--                to the rotor:
2085                   vrel(rseg) = SQRT( u_rot**2 +                               &
2086                                      ( omega_rot(inot) * cur_r -              &
2087                                        vtheta(rseg) )**2 )
2088
2089!
2090!--                !-----------------------------------------------------------!
2091!--                !-- Interpolation of chord as well as lift and drag       --!
2092!--                !-- coefficients from tabulated values                    --!
2093!--                !-----------------------------------------------------------!
2094
2095!
2096!--                Interpolation of the chord_length from tabulated values to
2097!--                the current radial position:
2098
2099                   IF (cur_r == 0.0_wp) THEN
2100                      chord(rseg) = 0.0_wp
2101                   ELSE IF (cur_r >= lrd(size(crd))) THEN
2102                      chord(rseg) = (crd(size(crd)) + ard(size(crd)-1)) / 2.0_wp
2103                   ELSE
2104                      chord(rseg) = ( crd(lct(1)) *                            &
2105                            ( ( lrd(lct(1)+1) - cur_r ) /                      &
2106                              ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) ) +            &
2107                            ( crd(lct(1)+1) *                                  &
2108                            ( ( cur_r-lrd(lct(1)) ) /                          &
2109                              ( lrd(lct(1)+1) - lrd(lct(1)) ) ) )
2110                   ENDIF
2111
2112!
2113!--                Determine index of current angle of attack, needed for
2114!--                finding the appropriate interpolated values of the lift and
2115!--                drag coefficients (-180.0 degrees = 1, +180.0 degrees = 3601,
2116!--                so one index every 0.1 degrees):
2117                   iialpha = CEILING( ( alpha_attack(rseg) + 180.0_wp )        &
2118                                      * ( 1.0_wp / accu_cl_cd_tab ) ) + 1.0_wp
2119!
2120!--                Determine index of current radial position, needed for
2121!--                finding the appropriate interpolated values of the lift and
2122!--                drag coefficients (one index every 0.1 m):
2123                   iir = CEILING( cur_r * 10.0_wp )
2124!
2125!--                Read in interpolated values of the lift and drag coefficients
2126!--                for the current radial position and angle of attack:
2127                   turb_cl(rseg) = turb_cl_tab(iialpha,iir)
2128                   turb_cd(rseg) = turb_cd_tab(iialpha,iir)
2129
2130!
2131!--                Final transformation back from angles given in degree to
2132!--                angles given in radian:
2133                   alpha_attack(rseg) = alpha_attack(rseg) *                   &
2134                                        ( (2.0_wp*pi) / 360.0_wp )
2135
2136                   IF ( tl_cor )  THEN
2137                   
2138!--                  Tip loss correction following Schito
2139!--                  Schito applies the tip loss correction only to the lift force
2140!--                  Therefore, the tip loss correction is only applied to the lift
2141!--                  coefficient and not to the drag coefficient in our case
2142!--                 
2143                     tl_factor = ( 2.0 / pi ) *                                &
2144                          ACOS( EXP( -1.0 * ( 3.0 * ( rr(inot) - cur_r ) /     &
2145                          ( 2.0 * cur_r * abs( sin( phi_rel(rseg) ) ) ) ) ) )
2146                         
2147                     turb_cl(rseg)  = tl_factor * turb_cl(rseg)                                 
2148                                 
2149                   ENDIF               
2150!
2151!--                !-----------------------------------------------------!
2152!--                !-- Calculation of the forces                       --!
2153!--                !-----------------------------------------------------!
2154
2155!
2156!--                Calculate the pre_factor for the thrust and torque forces:
2157
2158                   pre_factor = 0.5_wp * (vrel(rseg)**2) * 3.0_wp *  &
2159                                chord(rseg) * delta_r(inot) / nsegs(ring,inot)
2160
2161!
2162!--                Calculate the thrust force (x-component of the total force)
2163!--                for each ring segment:
2164                   thrust_seg(rseg) = pre_factor *                             &
2165                                      ( turb_cl(rseg) * COS(phi_rel(rseg)) +   &
2166                                        turb_cd(rseg) * SIN(phi_rel(rseg)) )
2167
2168!
2169!--                Determination of the second of the additional forces acting
2170!--                on the flow in the azimuthal direction: force vector as basis
2171!--                for torque (torque itself would be the vector product of the
2172!--                radius vector and the force vector):
2173                   torque_seg = pre_factor *                                   &
2174                                ( turb_cl(rseg) * SIN(phi_rel(rseg)) -         &
2175                                  turb_cd(rseg) * COS(phi_rel(rseg)) )
2176!
2177!--                Decomposition of the force vector into two parts:
2178!--                One acting along the y-direction and one acting along the
2179!--                z-direction of the rotor coordinate system:
2180
2181                   torque_seg_y(rseg) = -torque_seg * sin_rot
2182                   torque_seg_z(rseg) =  torque_seg * cos_rot
2183
2184!
2185!--                Add the segment thrust to the thrust of the whole rotor
2186                   thrust_rotor(inot) = thrust_rotor(inot) +                   &
2187                                        thrust_seg(rseg)                   
2188                   
2189
2190                   torque_total(inot) = torque_total(inot) + (torque_seg * cur_r)
2191
2192                ENDDO   !-- end of loop over ring segments
2193
2194!
2195!--             Restore the forces into arrays containing all the segments of
2196!--             each ring:
2197                thrust_ring(ring,:)   = thrust_seg(:)
2198                torque_ring_y(ring,:) = torque_seg_y(:)
2199                torque_ring_z(ring,:) = torque_seg_z(:)
2200
2201
2202             ENDDO   !-- end of loop over rings
2203
2204
2205             CALL cpu_log( log_point_s(62), 'wtm_controller', 'start' )
2206
2207             
2208             IF ( speed_control )  THEN
2209!
2210!--             Calculation of the current generator speed for rotor speed control
2211             
2212!                                     
2213!--             The acceleration of the rotor speed is calculated from
2214!--             the force balance of the accelerating torque
2215!--             and the torque of the rotating rotor and generator
2216                om_rate = ( torque_total(inot) * air_dens * gear_eff -         &
2217                            gear_ratio * torque_gen_old(inot) ) /              &
2218                          ( inertia_rot +                                      & 
2219                            gear_ratio * gear_ratio * inertia_gen ) * dt_3d
2220
2221!
2222!--             The generator speed is given by the product of gear gear_ratio
2223!--             and rotor speed
2224                omega_gen(inot) = gear_ratio * ( omega_rot(inot) + om_rate )     
2225             
2226             ENDIF
2227             
2228             IF ( pitch_control )  THEN
2229
2230!
2231!--             If the current generator speed is above rated, the pitch is not
2232!--             saturated and the change from the last time step is within the
2233!--             maximum pitch rate, then the pitch loop is repeated with a pitch
2234!--             gain
2235                IF ( (  omega_gen(inot)  > rated_genspeed   )  .AND.           &
2236                     ( pitch_add(inot) < 25.0_wp ) .AND.                       &
2237                     ( pitch_add(inot) < pitch_add_old(inot) +                 & 
2238                       pitch_rate * dt_3d  ) ) THEN
2239                   pitch_sw = .TRUE.
2240!
2241!--                Go back to beginning of pit_loop                   
2242                   CYCLE pit_loop
2243                ENDIF
2244               
2245!
2246!--             The current pitch is saved for the next time step
2247                pitch_add_old(inot) = pitch_add(inot)
2248                pitch_sw = .FALSE.
2249             ENDIF
2250             EXIT pit_loop             
2251          ENDDO pit_loop ! Recursive pitch control loop
2252
2253
2254!
2255!--          Call the rotor speed controller
2256             
2257             IF ( speed_control )  THEN
2258!
2259!--             Find processor at i_hub, j_hub             
2260                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) )  .AND.  ( nxr >= i_hub(inot) ) )   &
2261                   THEN
2262                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) )  .AND.  ( nyn >= j_hub(inot) ) )&
2263                      THEN
2264                      CALL wtm_speed_control( inot )
2265                   ENDIF
2266                ENDIF
2267                               
2268             ENDIF
2269
2270
2271             CALL cpu_log( log_point_s(62), 'wtm_controller', 'stop' )
2272
2273             CALL cpu_log( log_point_s(63), 'wtm_smearing', 'start' )
2274
2275
2276!--          !-----------------------------------------------------------------!
2277!--          !--                  Regularization kernel                      --!
2278!--          !-- Smearing of the forces and interpolation to cartesian grid  --!
2279!--          !-----------------------------------------------------------------!
2280!
2281!--          The aerodynamic blade forces need to be distributed smoothly on
2282!--          several mesh points in order to avoid singular behaviour
2283!
2284!--          Summation over sum of weighted forces. The weighting factor
2285!--          (calculated in user_init) includes information on the distance
2286!--          between the center of the grid cell and the rotor segment under
2287!--          consideration
2288!
2289!--          To save computing time, apply smearing only for the relevant part
2290!--          of the model domain:
2291!
2292!--
2293!--          Calculation of the boundaries:
2294             i_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) * ABS( roty(inot,1) ) +       &
2295                                        eps_min ) / dx )
2296             j_smear(inot) = CEILING( ( rr(inot) * ABS( roty(inot,2) ) +       &
2297                                        eps_min ) / dy )
2298
2299             DO i = MAX( nxl, i_hub(inot) - i_smear(inot) ),                   &
2300                    MIN( nxr, i_hub(inot) + i_smear(inot) )
2301                DO j = MAX( nys, j_hub(inot) - j_smear(inot) ),                &
2302                        MIN( nyn, j_hub(inot) + j_smear(inot) )
2303!                    DO k = MAX( nzb_u_inner(j,i)+1, k_hub(inot) - k_smear(inot) ), &
2304!                                 k_hub(inot) + k_smear(inot)
2305                   DO  k = nzb+1, k_hub(inot) + k_smear(inot)
2306                      DO ring = 1, nrings(inot)
2307                         DO rseg = 1, nsegs(ring,inot)
2308!
2309!--                         Predetermine flag to mask topography
2310                            flag = MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp, BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2311     
2312!
2313!--                         Determine the square of the distance between the
2314!--                         current grid point and each rotor area segment:
2315                            dist_u_3d = ( i * dx               - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2316                                        ( j * dy + 0.5_wp * dy - rby(ring,rseg) )**2 + &
2317                                        ( k * dz(1) - 0.5_wp * dz(1) - rbz(ring,rseg) )**2
2318                            dist_v_3d = ( i * dx + 0.5_wp * dx - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2319                                        ( j * dy               - rby(ring,rseg) )**2 + &
2320                                        ( k * dz(1) - 0.5_wp * dz(1) - rbz(ring,rseg) )**2
2321                            dist_w_3d = ( i * dx + 0.5_wp * dx - rbx(ring,rseg) )**2 + &
2322                                        ( j * dy + 0.5_wp * dy - rby(ring,rseg) )**2 + &
2323                                        ( k * dz(1)               - rbz(ring,rseg) )**2
2324
2325!
2326!--                         3D-smearing of the forces with a polynomial function
2327!--                         (much faster than the old Gaussian function), using
2328!--                         some parameters that have been calculated in user_init.
2329!--                         The function is only similar to Gaussian function for
2330!--                         squared distances <= eps_min2:
2331                            IF ( dist_u_3d <= eps_min2 ) THEN
2332                               thrust(k,j,i) = thrust(k,j,i) +                     &
2333                                               thrust_ring(ring,rseg) *            &
2334                                               ( ( pol_a * dist_u_3d - pol_b ) *   & 
2335                                                dist_u_3d + 1.0_wp ) * eps_factor *&
2336                                                                       flag
2337                            ENDIF
2338                            IF ( dist_v_3d <= eps_min2 ) THEN
2339                               torque_y(k,j,i) = torque_y(k,j,i) +                    &
2340                                                 torque_ring_y(ring,rseg) *           &
2341                                                 ( ( pol_a * dist_v_3d - pol_b ) *    &
2342                                                  dist_v_3d + 1.0_wp ) * eps_factor * &
2343                                                                         flag
2344                            ENDIF
2345                            IF ( dist_w_3d <= eps_min2 ) THEN
2346                               torque_z(k,j,i) = torque_z(k,j,i) +                    &
2347                                                 torque_ring_z(ring,rseg) *           &
2348                                                 ( ( pol_a * dist_w_3d - pol_b ) *    &
2349                                                  dist_w_3d + 1.0_wp ) * eps_factor * &
2350                                                                         flag
2351                            ENDIF
2352
2353                         ENDDO  ! End of loop over rseg
2354                      ENDDO     ! End of loop over ring
2355             
2356!
2357!--                   Rotation of force components:
2358                      rot_tend_x(k,j,i) = rot_tend_x(k,j,i) + (                &
2359                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,1) +             &
2360                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,1) +           &
2361                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,1)             &
2362                                                              ) * flag
2363                               
2364                      rot_tend_y(k,j,i) = rot_tend_y(k,j,i) + (                &
2365                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,2) +             &
2366                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,2) +           &
2367                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,2)             &
2368                                                              ) * flag
2369                               
2370                      rot_tend_z(k,j,i) = rot_tend_z(k,j,i) + (                &
2371                                      thrust(k,j,i)*rotx(inot,3) +             &
2372                                      torque_y(k,j,i)*roty(inot,3) +           &
2373                                      torque_z(k,j,i)*rotz(inot,3)             &
2374                                                              ) * flag                   
2375
2376                   ENDDO        ! End of loop over k
2377                ENDDO           ! End of loop over j
2378             ENDDO              ! End of loop over i
2379
2380             CALL cpu_log( log_point_s(63), 'wtm_smearing', 'stop' )         
2381                   
2382          ENDDO                  !-- end of loop over turbines
2383
2384               
2385          IF ( yaw_control )  THEN
2386!
2387!--          Allocate arrays for yaw control at first call
2388!--          Can't be allocated before dt_3d is set
2389             IF ( start_up )  THEN
2390                WDLON = NINT( 30.0_wp / dt_3d )  ! 30s running mean array
2391                ALLOCATE( wd30(1:nturbines,1:WDLON) )
2392                wd30 = 999.0_wp                  ! Set to dummy value
2393                ALLOCATE( wd30_l(1:WDLON) )
2394               
2395                WDSHO = NINT( 2.0_wp / dt_3d )   ! 2s running mean array
2396                ALLOCATE( wd2(1:nturbines,1:WDSHO) )
2397                wd2 = 999.0_wp                   ! Set to dummy value
2398                ALLOCATE( wd2_l(1:WDSHO) )
2399                start_up = .FALSE.
2400             ENDIF         
2401
2402!
2403!--          Calculate the inflow wind speed
2404!--
2405!--          Loop over number of turbines:
2406             DO inot = 1, nturbines
2407!
2408!--             Find processor at i_hub, j_hub             
2409                IF ( ( nxl <= i_hub(inot) )  .AND.  ( nxr >= i_hub(inot) ) )   &
2410                   THEN
2411                   IF ( ( nys <= j_hub(inot) )  .AND.  ( nyn >= j_hub(inot) ) )&
2412                      THEN
2413
2414                      u_inflow_l(inot) = u(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot))
2415
2416                      wdir_l(inot) = -1.0_wp * ATAN2(                          &
2417                         0.5_wp * ( v(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)+1) + &
2418                                    v(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)) ) , &
2419                         0.5_wp * ( u(k_hub(inot),j_hub(inot)+1,i_hub(inot)) + &
2420                                    u(k_hub(inot),j_hub(inot),i_hub(inot)) ) )
2421
2422                      CALL wtm_yawcontrol( inot )
2423
2424                      phi_yaw_l(inot) = phi_yaw(inot)
2425                     
2426                   ENDIF
2427                ENDIF
2428                   
2429             ENDDO                                 !-- end of loop over turbines
2430
2431!
2432!--          Transfer of information to the other cpus
2433#if defined( __parallel )         
2434             CALL MPI_ALLREDUCE( u_inflow_l, u_inflow, nturbines, MPI_REAL,    &
2435                                 MPI_SUM, comm2d, ierr )
2436             CALL MPI_ALLREDUCE( wdir_l, wdir, nturbines, MPI_REAL, MPI_SUM,   &
2437                                 comm2d, ierr )
2438             CALL MPI_ALLREDUCE( phi_yaw_l, phi_yaw, nturbines, MPI_REAL,      &
2439                                 MPI_SUM, comm2d, ierr )
2440#else
2441             u_inflow = u_inflow_l
2442             wdir     = wdir_l
2443             phi_yaw  = phi_yaw_l
2444             
2445             
2446#endif
2447             DO inot = 1, nturbines
2448!             
2449!--             Update rotor orientation               
2450                CALL wtm_rotate_rotor( inot )
2451
2452             ENDDO ! End of loop over turbines
2453                           
2454          ENDIF  ! end of yaw control
2455         
2456          IF ( speed_control )  THEN
2457!
2458!--          Transfer of information to the other cpus
2459!              CALL MPI_ALLREDUCE( omega_gen, omega_gen_old, nturbines,        &
2460!                                  MPI_REAL,MPI_SUM, comm2d, ierr )
2461#if defined( __parallel )   
2462             CALL MPI_ALLREDUCE( torque_gen, torque_gen_old, nturbines,        &
2463                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2464             CALL MPI_ALLREDUCE( omega_rot_l, omega_rot, nturbines,            &
2465                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2466             CALL MPI_ALLREDUCE( omega_gen_f, omega_gen_f_old, nturbines,      &
2467                                 MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
2468#else
2469             torque_gen_old  = torque_gen
2470             omega_rot       = omega_rot_l
2471             omega_gen_f_old = omega_gen_f
2472#endif
2473           
2474          ENDIF
2475
2476          DO inot = 1, nturbines
2477
2478             IF ( myid == 0 ) THEN
2479                IF ( openfile_turb_mod(400+inot)%opened )  THEN
2480                   WRITE ( 400+inot, 106 ) simulated_time, omega_rot(inot),    &
2481                             omega_gen(inot), torque_gen_old(inot),            &
2482                             torque_total(inot), pitch_add(inot),              &
2483                             torque_gen_old(inot)*omega_gen(inot)*gen_eff,     &
2484                             torque_total(inot)*omega_rot(inot)*air_dens,      &
2485                             thrust_rotor(inot),                               & 
2486                             wdir(inot)*180.0_wp/pi,                           &
2487                             (phi_yaw(inot))*180.0_wp/pi                   
2488                             
2489                ELSE
2490
2491                   WRITE ( turbine_id,'(A2,I2.2)')  '_T', inot
2492                   OPEN ( 400+inot, FILE=( 'WTM_OUTPUT_DATA' //                &
2493                                           TRIM( coupling_char ) //            &
2494                                           turbine_id ), FORM='FORMATTED' )
2495                   WRITE ( 400+inot, 105 ) inot
2496                   WRITE ( 400+inot, 106 ) simulated_time, omega_rot(inot),    &
2497                             omega_gen(inot), torque_gen_old(inot),            &
2498                             torque_total(inot), pitch_add(inot),              &
2499                             torque_gen_old(inot)*omega_gen(inot)*gen_eff,     &
2500                             torque_total(inot)*omega_rot(inot)*air_dens,      &
2501                             thrust_rotor(inot),                               & 
2502                             wdir(inot)*180.0_wp/pi,                           &                   
2503                             (phi_yaw(inot))*180.0_wp/pi
2504                ENDIF
2505             ENDIF
2506
2507!--          Set open flag
2508             openfile_turb_mod(400+inot)%opened = .TRUE.
2509          ENDDO                                    !-- end of loop over turbines
2510
2511       ENDIF
2512
2513       CALL cpu_log( log_point_s(61), 'wtm_forces', 'stop' )
2514       
2515!
2516!--    Formats
2517       105 FORMAT ('Turbine control data for turbine ',I2,1X,':'/ &
2518              &'----------------------------------------'/ &
2519              &'   Time   RSpeed  GSpeed  ', &
2520               'GenTorque  AeroTorque  Pitch  Power(Gen)  Power(Rot)  ',       &
2521               'RotThrust  WDirection  YawOrient')
2522
2523       106 FORMAT (F9.3,2X,F7.3,2X,F7.2,2X,F9.1,3X,F9.1,1X,F6.2,2X,F10.1,2X,   &
2524                   F10.1,1X,F9.1,2X,F7.2,1X,F7.2)
2525
2526
2527    END SUBROUTINE wtm_forces
2528
2529   
2530!------------------------------------------------------------------------------!
2531! Description:
2532! ------------
2533!> Yaw controller for the wind turbine model
2534!------------------------------------------------------------------------------!
2535    SUBROUTINE wtm_yawcontrol( inot )
2536   
2537       USE kinds
2538               
2539       IMPLICIT NONE
2540     
2541       INTEGER(iwp)             :: inot
2542       INTEGER(iwp)             :: i_wd_30
2543       REAL(wp)                 :: missal
2544
2545       i_wd_30 = 0_iwp
2546
2547
2548!--    The yaw controller computes a 30s running mean of the wind direction.
2549!--    If the difference between turbine alignment and wind direction exceeds
2550!--    5 degrees, the turbine is yawed. The mechanism stops as soon as the 2s-running
2551!--    mean of the missalignment is smaller than 0.5 degrees.
2552!--    Attention: If the timestep during the simulation changes significantly
2553!--    the lengths of the running means change and it does not correspond to
2554!--    30s/2s anymore.
2555!--    ! Needs to be modified for these situations !
2556!--    For wind from the east, the averaging of the wind direction could cause
2557!--    problems and the yaw controller is probably flawed. -> Routine for
2558!--    averaging needs to be improved!
2559!
2560!--    Check if turbine is not yawing
2561       IF ( .NOT. doyaw(inot) )  THEN
2562!
2563!--       Write current wind direction into array
2564          wd30_l    = wd30(inot,:)
2565          wd30_l    = CSHIFT( wd30_l, SHIFT=-1 )
2566          wd30_l(1) = wdir(inot)
2567!
2568!--       Check if array is full ( no more dummies )
2569          IF ( .NOT. ANY( wd30_l == 999.) ) THEN
2570
2571             missal = SUM( wd30_l ) / SIZE( wd30_l ) - phi_yaw(inot)
2572!
2573!--          Check if turbine is missaligned by more than max_miss
2574             IF ( ABS( missal ) > max_miss )  THEN
2575!
2576!--             Check in which direction to yaw         
2577                yawdir(inot) = SIGN( 1.0_wp, missal )
2578!
2579!--             Start yawing of turbine
2580                phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2581                doyaw(inot) = .TRUE.
2582                wd30_l = 999.  ! fill with dummies again
2583             ENDIF
2584          ENDIF
2585         
2586          wd30(inot,:) = wd30_l
2587
2588!     
2589!--    If turbine is already yawing:
2590!--    Initialize 2 s running mean and yaw until the missalignment is smaller
2591!--    than min_miss
2592
2593       ELSE
2594!
2595!--       Initialize 2 s running mean
2596          wd2_l = wd2(inot,:)
2597          wd2_l = CSHIFT( wd2_l, SHIFT = -1 )
2598          wd2_l(1) = wdir(inot)
2599!     
2600!--       Check if array is full ( no more dummies )
2601          IF ( .NOT. ANY( wd2_l == 999.0_wp ) ) THEN
2602!
2603!--          Calculate missalignment of turbine       
2604             missal = SUM( wd2_l - phi_yaw(inot) ) / SIZE( wd2_l )
2605!
2606!--          Check if missalignment is still larger than 0.5 degree and if the
2607!--          yaw direction is still right
2608             IF ( ( ABS( missal ) > min_miss )  .AND.                          &
2609                  ( yawdir(inot) == SIGN( 1.0_wp, missal ) ) )  THEN
2610!
2611!--             Continue yawing       
2612                phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2613             ELSE
2614!
2615!--             Stop yawing       
2616                doyaw(inot) = .FALSE.
2617                wd2_l = 999.0_wp ! fill with dummies again
2618             ENDIF
2619          ELSE
2620!
2621!--          Continue yawing
2622             phi_yaw(inot) = phi_yaw(inot) + yawdir(inot) * yaw_speed * dt_3d
2623          ENDIF
2624     
2625          wd2(inot,:) = wd2_l
2626           
2627       ENDIF
2628     
2629    END SUBROUTINE wtm_yawcontrol
2630
2631
2632!------------------------------------------------------------------------------!
2633! Description:
2634! ------------
2635!> Initialization of the speed control
2636!------------------------------------------------------------------------------!
2637    SUBROUTINE wtm_init_speed_control
2638
2639
2640       IMPLICIT NONE
2641
2642!
2643!--    If speed control is set, remaining variables and control_parameters for
2644!--    the control algorithm are calculated
2645!
2646!--    Calculate slope constant for region 15
2647       slope15   = ( slope2 * min_reg2 * min_reg2 ) / ( min_reg2 - min_reg15 )
2648!
2649!--    Calculate upper limit of slipage region
2650       vs_sysp   = rated_genspeed / 1.1_wp
2651!
2652!--    Calculate slope of slipage region
2653       slope25   = ( rated_power / rated_genspeed ) /                          &
2654                   ( rated_genspeed - vs_sysp )
2655!
2656!--    Calculate lower limit of slipage region
2657       min_reg25 = ( slope25 - SQRT( slope25 * ( slope25 - 4.0_wp *            &
2658                                                 slope2 * vs_sysp ) ) ) /      &
2659                   ( 2.0_wp * slope2 ) 
2660!
2661!--    Frequency for the simple low pass filter
2662       Fcorner   = 0.25_wp
2663!
2664!--    At the first timestep the torque is set to its maximum to prevent
2665!--    an overspeeding of the rotor
2666       IF ( TRIM( initializing_actions ) /= 'read_restart_data' ) THEN
2667          torque_gen_old(:) = max_torque_gen
2668       ENDIF 
2669     
2670    END SUBROUTINE wtm_init_speed_control
2671
2672
2673!------------------------------------------------------------------------------!
2674! Description:
2675! ------------
2676!> Simple controller for the regulation of the rotor speed
2677!------------------------------------------------------------------------------!
2678    SUBROUTINE wtm_speed_control( inot )
2679
2680
2681       IMPLICIT NONE
2682
2683       INTEGER(iwp)             :: inot
2684       
2685         
2686
2687!
2688!--    The controller is based on the fortran script from Jonkman
2689!--    et al. 2009 "Definition of a 5 MW Reference Wind Turbine for
2690!--    offshore system developement"
2691
2692!
2693!--    The generator speed is filtered by a low pass filter
2694!--    for the control of the generator torque       
2695       lp_coeff = EXP( -2.0_wp * 3.14_wp * dt_3d * Fcorner )
2696       omega_gen_f(inot) = ( 1.0_wp - lp_coeff ) * omega_gen(inot) + lp_coeff *&
2697                           omega_gen_f_old(inot)
2698
2699       IF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg15 )  THEN
2700!                       
2701!--       Region 1: Generator torque is set to zero to accelerate the rotor:
2702          torque_gen(inot) = 0
2703       
2704       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg2 )  THEN
2705!                       
2706!--       Region 1.5: Generator torque is increasing linearly with rotor speed:
2707          torque_gen(inot) = slope15 * ( omega_gen_f(inot) - min_reg15 )
2708                         
2709       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) <= min_reg25 )  THEN
2710!
2711!--       Region 2: Generator torque is increased by the square of the generator
2712!--                 speed to keep the TSR optimal:
2713          torque_gen(inot) = slope2 * omega_gen_f(inot) * omega_gen_f(inot)
2714       
2715       ELSEIF ( omega_gen_f(inot) < rated_genspeed )  THEN
2716!                       
2717!--       Region 2.5: Slipage region between 2 and 3:
2718          torque_gen(inot) = slope25 * ( omega_gen_f(inot) - vs_sysp )
2719       
2720       ELSE
2721!                       
2722!--       Region 3: Generator torque is antiproportional to the rotor speed to
2723!--                 keep the power constant:
2724          torque_gen(inot) = rated_power / omega_gen_f(inot)
2725       
2726       ENDIF
2727!                       
2728!--    Calculate torque rate and confine with a max
2729       trq_rate = ( torque_gen(inot) - torque_gen_old(inot) ) / dt_3d
2730       trq_rate = MIN( MAX( trq_rate, -1.0_wp * max_trq_rate ), max_trq_rate )
2731!                       
2732!--    Calculate new gen torque and confine with max torque                         
2733       torque_gen(inot) = torque_gen_old(inot) + trq_rate * dt_3d
2734       torque_gen(inot) = MIN( torque_gen(inot), max_torque_gen )                                             
2735!
2736!--    Overwrite values for next timestep                       
2737       omega_rot_l(inot) = omega_gen(inot) / gear_ratio
2738
2739   
2740    END SUBROUTINE wtm_speed_control   
2741
2742
2743!------------------------------------------------------------------------------!
2744! Description:
2745! ------------
2746!> Application of the additional forces generated by the wind turbine on the
2747!> flow components (tendency terms)
2748!> Call for all grid points
2749!------------------------------------------------------------------------------!
2750    SUBROUTINE wtm_tendencies( component )
2751
2752   
2753       IMPLICIT NONE
2754
2755       INTEGER(iwp) ::  component   !< prognostic variable (u,v,w)
2756       INTEGER(iwp) ::  i           !< running index
2757       INTEGER(iwp) ::  j           !< running index
2758       INTEGER(iwp) ::  k           !< running index
2759
2760
2761       SELECT CASE ( component )
2762
2763       CASE ( 1 )
2764!
2765!--       Apply the x-component of the force to the u-component of the flow:
2766          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2767             DO  i = nxlg, nxrg
2768                DO  j = nysg, nyng
2769                   DO  k = nzb+1, MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2770!
2771!--                   Calculate the thrust generated by the nacelle and the tower
2772                      tend_nac_x = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *               &
2773                                      SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) )     
2774                      tend_tow_x   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *             &
2775                                         SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) ) 
2776                                               
2777                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_x(k,j,i)        &
2778                                  - tend_nac_x - tend_tow_x )                  &
2779                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2780                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2781                   ENDDO
2782                ENDDO
2783             ENDDO
2784          ENDIF
2785
2786       CASE ( 2 )
2787!
2788!--       Apply the y-component of the force to the v-component of the flow:
2789          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2790             DO  i = nxlg, nxrg
2791                DO  j = nysg, nyng
2792                   DO  k = nzb+1, MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2793                      tend_nac_y = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *               &
2794                                         SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )     
2795                      tend_tow_y   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *             &
2796                                         SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )                     
2797                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_y(k,j,i)        &
2798                                  - tend_nac_y - tend_tow_y )                  &
2799                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2800                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
2801                   ENDDO
2802                ENDDO
2803             ENDDO
2804          ENDIF
2805
2806       CASE ( 3 )
2807!
2808!--       Apply the z-component of the force to the w-component of the flow:
2809          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2810             DO  i = nxlg, nxrg
2811                DO  j = nysg, nyng
2812                   DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2813                      tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - rot_tend_z(k,j,i)            &
2814                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2815                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
2816                   ENDDO
2817                ENDDO
2818             ENDDO
2819          ENDIF
2820
2821
2822       CASE DEFAULT
2823
2824          WRITE( message_string, * ) 'unknown prognostic variable: ', component
2825          CALL message( 'wtm_tendencies', 'PA04??', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
2826
2827       END SELECT
2828
2829
2830    END SUBROUTINE wtm_tendencies
2831
2832
2833!------------------------------------------------------------------------------!
2834! Description:
2835! ------------
2836!> Application of the additional forces generated by the wind turbine on the
2837!> flow components (tendency terms)
2838!> Call for grid point i,j
2839!------------------------------------------------------------------------------!
2840    SUBROUTINE wtm_tendencies_ij( i, j, component )
2841
2842
2843       IMPLICIT NONE
2844
2845       INTEGER(iwp) ::  component   !< prognostic variable (u,v,w)
2846       INTEGER(iwp) ::  i           !< running index
2847       INTEGER(iwp) ::  j           !< running index
2848       INTEGER(iwp) ::  k           !< running index
2849
2850       SELECT CASE ( component )
2851
2852       CASE ( 1 )
2853!
2854!--       Apply the x-component of the force to the u-component of the flow:
2855          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2856             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2857!
2858!--             Calculate the thrust generated by the nacelle and the tower
2859                tend_nac_x = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *                     &
2860                                   SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) )     
2861                tend_tow_x   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *                   &
2862                                   SIGN( u(k,j,i)**2 , u(k,j,i) ) 
2863                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_x(k,j,i)              &
2864                            - tend_nac_x - tend_tow_x )                        &
2865                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2866                                            BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 1 ) )
2867             ENDDO
2868          ENDIF
2869
2870       CASE ( 2 )
2871!
2872!--       Apply the y-component of the force to the v-component of the flow:
2873          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2874             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2875                tend_nac_y = 0.5_wp * nac_cd_surf(k,j,i) *                     &
2876                                   SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )     
2877                tend_tow_y   = 0.5_wp * tow_cd_surf(k,j,i) *                   &
2878                                   SIGN( v(k,j,i)**2 , v(k,j,i) )                     
2879                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) + ( - rot_tend_y(k,j,i)              &
2880                            - tend_nac_y - tend_tow_y )                        &
2881                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2882                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 2 ) )
2883                ENDDO
2884          ENDIF
2885
2886       CASE ( 3 )
2887!
2888!--       Apply the z-component of the force to the w-component of the flow:
2889          IF ( simulated_time >= time_turbine_on )  THEN
2890             DO  k = nzb+1,  MAXVAL(k_hub) + MAXVAL(k_smear)
2891                tend(k,j,i) = tend(k,j,i) - rot_tend_z(k,j,i)                  &
2892                                      * MERGE( 1.0_wp, 0.0_wp,                 &
2893                                               BTEST( wall_flags_0(k,j,i), 3 ) )
2894             ENDDO
2895          ENDIF
2896
2897
2898       CASE DEFAULT
2899
2900          WRITE( message_string, * ) 'unknown prognostic variable: ', component
2901          CALL message( 'wtm_tendencies', 'PA04??', 1, 2, 0, 6, 0 ) 
2902
2903       END SELECT
2904
2905
2906    END SUBROUTINE wtm_tendencies_ij
2907
2908 END MODULE wind_turbine_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.