Changeset 1071


Ignore:
Timestamp:
Nov 29, 2012 4:54:55 PM (12 years ago)
Author:
franke
Message:

ventilation effect for cloud droplets included, calculation of cloud droplet collisions now uses formulation by Wang, bugfixes in Rosenbrock method and in calculation of collision efficiencies

Location:
palm/trunk/SOURCE
Files:
3 edited

Legend:

Unmodified
Added
Removed
  • palm/trunk/SOURCE/lpm_collision_kernels.f90

    r1037 r1071  
    2020! Current revisions:
    2121! -----------------
    22 !
     22! Bugfix: collision efficiencies for Hall kernel should not be < 1.0E-20
    2323!
    2424! Former revisions:
     
    607607
    608608!------------------------------------------------------------------------------!
    609 ! Calculation of collision efficencies for the Hall kernel
     609! Calculation of collision efficiencies for the Hall kernel
    610610!------------------------------------------------------------------------------!
    611611    SUBROUTINE effic
     
    728728                ek = ( 1.0 - qq ) * ecoll(15,iq-1) + qq * ecoll(15,iq)
    729729                ec(j,i) = MIN( ek, 1.0 )
    730              ENDIF
     730             ENDIF
     731
     732             IF ( ec(j,i) < 1.0E-20 )  ec(j,i) = 0.0
    731733
    732734             ec(i,j) = ec(j,i)
    733              IF ( ec(i,j) < 1.0E-20 )  ec(i,j) = 0.0
    734735
    735736          ENDDO
  • palm/trunk/SOURCE/lpm_droplet_collision.f90

    r1037 r1071  
    2020! Current revisions:
    2121! ------------------
    22 !
     22! Calculation of Hall and Wang kernel now uses collision-coalescence formulation
     23! proposed by Wang instead of the continuous collection equation (for more
     24! information about new method see PALM documentation)
     25! Bugfix: message identifiers added
    2326!
    2427! Former revisions:
     
    3538! Description:
    3639! ------------
    37 ! Calculates chang in droplet radius by collision. Droplet collision is
     40! Calculates change in droplet radius by collision. Droplet collision is
    3841! calculated for each grid box seperately. Collision is parameterized by
    3942! using collision kernels. Three different kernels are available:
     
    7477             mean_r, ql_int, ql_int_l, ql_int_u, u_int, u_int_l, u_int_u,     &
    7578             v_int, v_int_l, v_int_u, w_int, w_int_l, w_int_u, sl_r3, sl_r4,  &
    76              x, y
     79             x, y, sum1, sum2, sum3, r3, ddV
    7780
    7881    TYPE(particle_type) ::  tmp_particle
     82    REAL, DIMENSION(:), ALLOCATABLE :: rad, weight
    7983
    8084
     
    138142                   ENDIF
    139143
    140                    DO  n = pse, psi+1, -1
    141 
    142                       integral = 0.0
    143                       lw_max   = 0.0
     144 !
     145!--                Droplet collision are calculated using collision-coalescence
     146!--                formulation proposed by Wang (see PALM documentation)
     147!--                Since new radii after collision are defined by radii of all
     148!--                droplets before collision, temporary fields for new radii and
     149!--                weighting factors are needed
     150                   ALLOCATE(rad(1:prt_count(k,j,i)), weight(1:prt_count(k,j,i)))
     151
     152                   rad = 0.0
     153                   weight = 0.0
     154
     155                   DO  n = psi, pse, 1
     156
     157                      sum1 = 0.0
     158                      sum2 = 0.0
     159                      sum3 = 0.0
     160
    144161                      rclass_l = particles(n)%class
    145162!
    146 !--                   Calculate growth of collector particle radius using all
    147 !--                   droplets smaller than current droplet
     163!--                   Mass added due to collisions with smaller droplets
    148164                      DO  is = psi, n-1
    149165
    150166                         rclass_s = particles(is)%class
    151                          integral = integral +                             &
    152                                     ( particles(is)%radius**3 *            &
    153                                       ckernel(rclass_l,rclass_s,eclass) *  &
    154                                       particles(is)%weight_factor )
    155 !
    156 !--                      Calculate volume of liquid water of the collected
    157 !--                      droplets which is the maximum liquid water available
    158 !--                      for droplet growth   
    159                          lw_max = lw_max + ( particles(is)%radius**3 * &
    160                                              particles(is)%weight_factor )
     167                         sum1 = sum1 + ( particles(is)%radius**3 *            &
     168                                         ckernel(rclass_l,rclass_s,eclass) *  &
     169                                         particles(is)%weight_factor )
    161170
    162171                      ENDDO
    163 
    164 !
    165 !--                   Change in radius of collector droplet due to collision
    166                       delta_r = 1.0 / ( 3.0 * particles(n)%radius**2 ) * &
    167                                 integral * dt_3d * ddx * ddy / dz
    168 
    169 !
    170 !--                   Change in volume of collector droplet due to collision
    171                       delta_v = particles(n)%weight_factor                  &
    172                                 * ( ( particles(n)%radius + delta_r )**3    &
    173                                     - particles(n)%radius**3 )
    174 
    175                       IF ( lw_max < delta_v  .AND.  delta_v > 0.0 )  THEN
    176 !-- replace by message call
    177                          PRINT*, 'Particle has grown to much because the',  &
    178                                  ' change of volume of particle is larger', &
    179                                  ' than liquid water available!'
    180 
    181                       ELSEIF ( lw_max == delta_v  .AND.  delta_v > 0.0 ) THEN
    182 !-- can this case really happen??
    183                          DO  is = psi, n-1
    184 
    185                             particles(is)%weight_factor = 0.0
    186                             particle_mask(is)  = .FALSE.
    187                             deleted_particles = deleted_particles + 1
    188 
    189                          ENDDO
    190 
    191                       ELSEIF ( lw_max > delta_v  .AND.  delta_v > 0.0 )  THEN
    192 !
    193 !--                      Calculate new weighting factor of collected droplets
    194                          DO  is = psi, n-1
    195 
    196                             rclass_s = particles(is)%class
    197                             particles(is)%weight_factor = &
    198                                particles(is)%weight_factor - &
    199                                ( ( ckernel(rclass_l,rclass_s,eclass) * particles(is)%weight_factor &
    200                                  / integral ) * delta_v )
    201 
    202                             IF ( particles(is)%weight_factor < 0.0 )  THEN
    203                                   WRITE( message_string, * ) 'negative ',   &
    204                                                      'weighting factor: ',  &
    205                                                   particles(is)%weight_factor
    206                                   CALL message( 'lpm_droplet_collision', '', &
    207                                                 2, 2, -1, 6, 1 )
    208 
    209                             ELSEIF ( particles(is)%weight_factor == 0.0 )  &
    210                             THEN
    211 
    212                                 particles(is)%weight_factor = 0.0
    213                                 particle_mask(is)  = .FALSE.
    214                                 deleted_particles = deleted_particles + 1
    215 
    216                             ENDIF
    217 
    218                          ENDDO
    219 
    220                       ENDIF
    221 
    222                       particles(n)%radius = particles(n)%radius + delta_r
    223                       ql_vp(k,j,i) = ql_vp(k,j,i) + particles(n)%weight_factor &
    224                                                     * particles(n)%radius**3
     172!
     173!--                   Rate of collisions with larger droplets
     174                      DO  is = n+1, pse
     175
     176                         rclass_s = particles(is)%class
     177                         sum2 = sum2 + ( ckernel(rclass_l,rclass_s,eclass) *  &
     178                                         particles(is)%weight_factor )
     179
     180                      ENDDO
     181
     182                      r3 = particles(n)%radius**3
     183                      ddV = ddx * ddy / dz
     184                      is = prt_start_index(k,j,i)
     185!
     186!--                   Change of the current weighting factor
     187                      sum3 = 1 - dt_3d * ddV *                                 &
     188                                 ckernel(rclass_l,rclass_l,eclass) *           &
     189                                 ( particles(n)%weight_factor - 1 ) * 0.5 -    &
     190                             dt_3d * ddV * sum2
     191                      weight(n-is+1) = particles(n)%weight_factor * sum3
     192!
     193!--                   Change of the current droplet radius
     194                      rad(n-is+1) = ( (r3 + dt_3d * ddV * (sum1 - sum2 * r3) )/&
     195                                       sum3 )**0.33333333333333
     196
     197                      IF ( weight(n-is+1) < 0.0 )  THEN
     198                         WRITE( message_string, * ) 'negative weighting',      &
     199                                                    'factor: ', weight(n-is+1)
     200                         CALL message( 'lpm_droplet_collision', 'PA0028',      &
     201                                        2, 2, -1, 6, 1 )
     202                      ENDIF
     203
     204                      ql_vp(k,j,i) = ql_vp(k,j,i) + weight(n-is+1) &
     205                                                  * rad(n-is+1)**3
    225206
    226207                   ENDDO
     208
     209                   particles(psi:pse)%radius = rad(1:prt_count(k,j,i))
     210                   particles(psi:pse)%weight_factor = weight(1:prt_count(k,j,i))
     211
     212                   DEALLOCATE(rad, weight)
    227213
    228214                ELSEIF ( ( hall_kernel .OR. wang_kernel )  .AND.  &
     
    241227                   CALL recalculate_kernel( i, j, k )
    242228
    243                    DO  n = pse, psi+1, -1
    244 
    245                       integral = 0.0
    246                       lw_max   = 0.0
    247 !
    248 !--                   Calculate growth of collector particle radius using all
    249 !--                   droplets smaller than current droplet
     229!
     230!--                Droplet collision are calculated using collision-coalescence
     231!--                formulation proposed by Wang (see PALM documentation)
     232!--                Since new radii after collision are defined by radii of all
     233!--                droplets before collision, temporary fields for new radii and
     234!--                weighting factors are needed
     235                   ALLOCATE(rad(1:prt_count(k,j,i)), weight(1:prt_count(k,j,i)))
     236
     237                   rad = 0.0
     238                   weight = 0.0
     239
     240                   DO  n = psi, pse, 1
     241
     242                      sum1 = 0.0
     243                      sum2 = 0.0
     244                      sum3 = 0.0
     245!
     246!--                   Mass added due to collisions with smaller droplets
    250247                      DO  is = psi, n-1
    251 
    252                          integral = integral + particles(is)%radius**3 * &
    253                                                ckernel(n,is,1) *         &
    254                                                particles(is)%weight_factor
    255 !
    256 !--                      Calculate volume of liquid water of the collected
    257 !--                      droplets which is the maximum liquid water available
    258 !--                      for droplet growth   
    259                          lw_max = lw_max + ( particles(is)%radius**3 * &
    260                                              particles(is)%weight_factor )
    261 
     248                         sum1 = sum1 + ( particles(is)%radius**3 *            &
     249                                         ckernel(n,is,1) *  &
     250                                         particles(is)%weight_factor )
    262251                      ENDDO
    263 
    264 !
    265 !--                   Change in radius of collector droplet due to collision
    266                       delta_r = 1.0 / ( 3.0 * particles(n)%radius**2 ) * &
    267                                 integral * dt_3d * ddx * ddy / dz
    268 
    269 !
    270 !--                   Change in volume of collector droplet due to collision
    271                       delta_v = particles(n)%weight_factor                  &
    272                                 * ( ( particles(n)%radius + delta_r )**3    &
    273                                     - particles(n)%radius**3 )
    274 
    275                       IF ( lw_max < delta_v  .AND.  delta_v > 0.0 )  THEN
    276 !-- replace by message call
    277                          PRINT*, 'Particle has grown to much because the',  &
    278                                  ' change of volume of particle is larger', &
    279                                  ' than liquid water available!'
    280 
    281                       ELSEIF ( lw_max == delta_v  .AND.  delta_v > 0.0 ) THEN
    282 !-- can this case really happen??
    283                          DO  is = psi, n-1
    284 
    285                             particles(is)%weight_factor = 0.0
    286                             particle_mask(is)  = .FALSE.
    287                             deleted_particles = deleted_particles + 1
    288 
    289                          ENDDO
    290 
    291                       ELSEIF ( lw_max > delta_v  .AND.  delta_v > 0.0 )  THEN
    292 !
    293 !--                      Calculate new weighting factor of collected droplets
    294                          DO  is = psi, n-1
    295 
    296                             particles(is)%weight_factor =                   &
    297                                    particles(is)%weight_factor -            &
    298                                    ( ckernel(n,is,1) / integral * delta_v * &
    299                                      particles(is)%weight_factor )
    300 
    301                             IF ( particles(is)%weight_factor < 0.0 )  THEN
    302                                   WRITE( message_string, * ) 'negative ',   &
    303                                                      'weighting factor: ',  &
    304                                                   particles(is)%weight_factor
    305                                   CALL message( 'lpm_droplet_collision', '', &
    306                                                 2, 2, -1, 6, 1 )
    307 
    308                             ELSEIF ( particles(is)%weight_factor == 0.0 )  &
    309                             THEN
    310 
    311                                 particles(is)%weight_factor = 0.0
    312                                 particle_mask(is)  = .FALSE.
    313                                 deleted_particles = deleted_particles + 1
    314 
    315                             ENDIF
    316 
    317                          ENDDO
    318 
    319                       ENDIF
    320 
    321                       particles(n)%radius = particles(n)%radius + delta_r
    322                       ql_vp(k,j,i) = ql_vp(k,j,i) + particles(n)%weight_factor &
    323                                                     * particles(n)%radius**3
     252!
     253!--                   Rate of collisions with larger droplets
     254                      DO  is = n+1, pse
     255                         sum2 = sum2 + ( ckernel(n,is,1) *  &
     256                                         particles(is)%weight_factor )
     257                      ENDDO
     258
     259                      r3 = particles(n)%radius**3
     260                      ddV = ddx * ddy / dz
     261                      is = prt_start_index(k,j,i)
     262!
     263!--                   Change of the current weighting factor
     264                      sum3 = 1 - dt_3d * ddV *                                 &
     265                                 ckernel(n,n,1) *           &
     266                                 ( particles(n)%weight_factor - 1 ) * 0.5 -    &
     267                             dt_3d * ddV * sum2
     268                      weight(n-is+1) = particles(n)%weight_factor * sum3
     269!
     270!--                   Change of the current droplet radius
     271                      rad(n-is+1) = ( (r3 + dt_3d * ddV * (sum1 - sum2 * r3) )/&
     272                                       sum3 )**0.33333333333333
     273
     274                      IF ( weight(n-is+1) < 0.0 )  THEN
     275                         WRITE( message_string, * ) 'negative weighting',      &
     276                                                    'factor: ', weight(n-is+1)
     277                         CALL message( 'lpm_droplet_collision', 'PA0037',      &
     278                                        2, 2, -1, 6, 1 )
     279                      ENDIF
     280
     281                      ql_vp(k,j,i) = ql_vp(k,j,i) + weight(n-is+1) &
     282                                                  * rad(n-is+1)**3
    324283
    325284                   ENDDO
    326285
    327                    DEALLOCATE( ckernel )
     286                   particles(psi:pse)%radius = rad(1:prt_count(k,j,i))
     287                   particles(psi:pse)%weight_factor = weight(1:prt_count(k,j,i))
     288
     289                   DEALLOCATE( rad, weight, ckernel )
    328290
    329291                ELSEIF ( palm_kernel )  THEN
     
    543505                                                  'weighting factor: ',     &
    544506                                                  particles(is)%weight_factor
    545                                   CALL message( 'lpm_droplet_collision', '', &
     507                                  CALL message( 'lpm_droplet_collision', &
     508                                                'PA0039',                &
    546509                                                2, 2, -1, 6, 1 )
    547510                               ENDIF
     
    557520                   ENDDO
    558521
    559                 ENDIF  ! collision kernel
    560 
    561522                ql_vp(k,j,i) = ql_vp(k,j,i) + particles(psi)%weight_factor  &
    562523                                              * particles(psi)%radius**3
    563524
     525                ENDIF  ! collision kernel
    564526
    565527             ELSE IF ( prt_count(k,j,i) == 1 )  THEN
    566528
    567529                psi = prt_start_index(k,j,i)
    568                 ql_vp(k,j,i) =  particles(psi)%weight_factor *              &
     530
     531!
     532!--             Calculate change of weighting factor due to self collision
     533                IF ( ( hall_kernel .OR. wang_kernel )  .AND.  &
     534                     use_kernel_tables )  THEN
     535
     536                   IF ( wang_kernel )  THEN
     537                      eclass = INT( diss(k,j,i) * 1.0E4 / 1000.0 * &
     538                                    dissipation_classes ) + 1
     539                      epsilon = diss(k,j,i)
     540                   ELSE
     541                      epsilon = 0.0
     542                   ENDIF
     543                   IF ( hall_kernel .OR. epsilon * 1.0E4 < 0.001 )  THEN
     544                      eclass = 0   ! Hall kernel is used
     545                   ELSE
     546                      eclass = MIN( dissipation_classes, eclass )
     547                   ENDIF
     548
     549                   ddV = ddx * ddy / dz
     550                   rclass_l = particles(psi)%class
     551                   sum3 = 1 - dt_3d * ddV *                                 &
     552                              ( ckernel(rclass_l,rclass_l,eclass) *         &
     553                                ( particles(psi)%weight_factor-1 ) * 0.5 )
     554
     555                   particles(psi)%radius = ( particles(psi)%radius**3 / &
     556                                             sum3 )**0.33333333333333
     557                   particles(psi)%weight_factor = particles(psi)%weight_factor &
     558                                                  * sum3
     559
     560                ELSE IF ( ( hall_kernel .OR. wang_kernel )  .AND.  &
     561                           .NOT. use_kernel_tables )  THEN
     562!
     563!--                Collision efficiencies are calculated for every new
     564!--                grid box. First, allocate memory for kernel table.
     565!--                Third dimension is 1, because table is re-calculated for
     566!--                every new dissipation value.
     567                   ALLOCATE( ckernel(psi:psi, psi:psi, 1:1) )
     568!
     569!--                Now calculate collision efficiencies for this box
     570                   CALL recalculate_kernel( i, j, k )
     571
     572                   ddV = ddx * ddy / dz
     573                   sum3 = 1 - dt_3d * ddV * ( ckernel(psi,psi,1) *  &
     574                                ( particles(psi)%weight_factor - 1 ) * 0.5 )
     575
     576                   particles(psi)%radius = ( particles(psi)%radius**3 / &
     577                                             sum3 )**0.33333333333333
     578                   particles(psi)%weight_factor = particles(psi)%weight_factor &
     579                                                  * sum3
     580
     581                   DEALLOCATE( ckernel )
     582                ENDIF
     583
     584               ql_vp(k,j,i) =  particles(psi)%weight_factor *              &
    569585                                particles(psi)%radius**3
    570586             ENDIF
     
    582598                                              ' LWC after collision: ',     &
    583599                                              ql_vp(k,j,i)
    584                    CALL message( 'lpm_droplet_collision', '', 2, 2, -1, 6, 1 )
     600                   CALL message( 'lpm_droplet_collision', 'PA0040',         &
     601                                 2, 2, -1, 6, 1 )
    585602                ENDIF
    586603             ENDIF
  • palm/trunk/SOURCE/lpm_droplet_condensation.f90

    r1037 r1071  
    2020! Current revisions:
    2121! ------------------
    22 !
     22! Ventilation effect for evaporation of large droplets included
     23! Check for unreasonable results included in calculation of Rosenbrock method
     24! since physically unlikely results were observed and for the same
     25! reason the first internal time step in Rosenbrock method should be < 1.0E02 in
     26! case of evaporation
     27! Unnecessary calculation of ql_int removed
     28! Unnecessary calculations in Rosenbrock method (d2rdt2, drdt_m, dt_ros_last)
     29! removed
     30! Bugfix: factor in calculation of surface tension changed from 0.00155 to
     31! 0.000155
    2332!
    2433! Former revisions:
     
    5564    IMPLICIT NONE
    5665
    57     INTEGER ::  i, internal_timestep_count, j, jtry, k, n
     66    INTEGER ::  i, internal_timestep_count, j, jtry, k, n, ros_count
    5867
    5968    INTEGER, PARAMETER ::  maxtry = 40
    6069
     70    LOGICAL ::  repeat
     71
    6172    REAL ::  aa, afactor, arg, bb, cc, dd, ddenom, delta_r, drdt, drdt_ini,    &
    62              drdt_m, dt_ros, dt_ros_last, dt_ros_next, dt_ros_sum,             &
    63              dt_ros_sum_ini, d2rdtdr, d2rdt2, errmax, err_ros, g1, g2, g3, g4, &
    64              e_a, e_s, gg, new_r, p_int, pt_int, pt_int_l, pt_int_u, q_int,    &
    65              q_int_l, q_int_u, ql_int, ql_int_l, ql_int_u, r_ros, r_ros_ini,   &
    66              sigma, t_int, x, y
     73             dt_ros, dt_ros_next, dt_ros_sum, dt_ros_sum_ini, d2rdtdr, errmax, &
     74             err_ros, g1, g2, g3, g4, e_a, e_s, gg, new_r, p_int, pt_int,      &
     75             pt_int_l, pt_int_u, q_int, q_int_l, q_int_u, ql_int, ql_int_l,    &
     76             ql_int_u, r_ros, r_ros_ini, sigma, t_int, x, y, re_p
    6777
    6878!
    6979!-- Parameters for Rosenbrock method
    7080    REAL, PARAMETER ::  a21 = 2.0, a31 = 48.0/25.0, a32 = 6.0/25.0,        &
    71                         a2x = 1.0, a3x = 3.0/5.0, b1 = 19.0/9.0, b2 = 0.5, &
    72                         b3 = 25.0/108.0, b4 = 125.0/108.0, c21 = -8.0,     &
    73                         c31 = 372.0/25.0, c32 = 12.0/5.0,                  &
    74                         c41 = -112.0/125.0, c42 = -54.0/125.0,             &
    75                         c43 = -2.0/5.0, c1x = 0.5, c2x= -3.0/2.0,          &
    76                         c3x = 121.0/50.0, c4x = 29.0/250.0,                &
     81                        b1 = 19.0/9.0, b2 = 0.5, b3 = 25.0/108.0,          &
     82                        b4 = 125.0/108.0, c21 = -8.0, c31 = 372.0/25.0,    &
     83                        c32 = 12.0/5.0, c41 = -112.0/125.0,                &
     84                        c42 = -54.0/125.0, c43 = -2.0/5.0,                 &
    7785                        errcon = 0.1296, e1 = 17.0/54.0, e2 = 7.0/36.0,    &
    7886                        e3 = 0.0, e4 = 125.0/108.0, gam = 0.5, grow = 1.5, &
     
    121129                           ( q_int_u - q_int_l )
    122130
    123        ql_int_l = ( ( gg - aa ) * ql(k,j,i)   + ( gg - bb ) * ql(k,j,i+1)   &
    124                   + ( gg - cc ) * ql(k,j+1,i) + ( gg - dd ) * ql(k,j+1,i+1) &
    125                   ) / ( 3.0 * gg )
    126 
    127        ql_int_u = ( ( gg-aa ) * ql(k+1,j,i)   + ( gg-bb ) * ql(k+1,j,i+1)   &
    128                   + ( gg-cc ) * ql(k+1,j+1,i) + ( gg-dd ) * ql(k+1,j+1,i+1) &
    129                   ) / ( 3.0 * gg )
    130 
    131        ql_int = ql_int_l + ( particles(n)%z - zu(k) ) / dz * &
    132                              ( ql_int_u - ql_int_l )
    133 
    134131!
    135132!--    Calculate real temperature and saturation vapor pressure
     
    151148!
    152149!--    Change in radius by condensation/evaporation
    153        IF ( particles(n)%radius >= 1.0E-6  .OR.  &
    154             .NOT. curvature_solution_effects )  THEN
    155 !
    156 !--       Approximation for large radii, where curvature and solution
    157 !--       effects can be neglected
     150       IF ( particles(n)%radius >= 4.0E-5  .AND.  e_a/e_s < 1.0 )  THEN
     151!
     152!--       Approximation for large radii, where curvature and solution effects
     153!--       can be neglected but ventilation effect has to be included in case of
     154!--       evaporation.
     155!--       First calculate the droplet's Reynolds number
     156          re_p = 2.0 * particles(n)%radius * ABS( particles(n)%speed_z ) / &
     157                 molecular_viscosity
     158!
     159!--       Ventilation coefficient after Rogers and Yau, 1989
     160          IF ( re_p > 2.5 )  THEN
     161             afactor = 0.78 + 0.28 * SQRT( re_p )
     162          ELSE
     163             afactor = 1.0 + 0.09 * re_p
     164          ENDIF
     165
     166          arg = particles(n)%radius**2 + 2.0 * dt_3d * afactor *              &
     167                           ( e_a / e_s - 1.0 ) /                              &
     168                           ( ( l_d_rv / t_int - 1.0 ) * l_v * rho_l / t_int / &
     169                             thermal_conductivity_l +                         &
     170                             rho_l * r_v * t_int / diff_coeff_l / e_s )
     171
     172          new_r = SQRT( arg )
     173
     174       ELSEIF ( particles(n)%radius >= 1.0E-6  .OR.  &
     175                .NOT. curvature_solution_effects )  THEN
     176!
     177!--       Approximation for larger radii in case that curvature and solution
     178!--       effects are neglected and ventilation effects does not play a role
    158179          arg = particles(n)%radius**2 + 2.0 * dt_3d *                        &
    159180                           ( e_a / e_s - 1.0 ) /                              &
     
    178199!--       For larger radii the simple analytic method (see ELSE) gives
    179200!--       almost the same results.
    180 !
    181 !--       Surface tension after (Straka, 2009)
    182           sigma = 0.0761 - 0.00155 * ( t_int - 273.15 )
    183 
    184           r_ros = particles(n)%radius
    185           dt_ros_sum  = 0.0      ! internal integrated time (s)
    186           internal_timestep_count = 0
    187 
    188           ddenom  = 1.0 / ( rho_l * r_v * t_int / ( e_s * diff_coeff_l ) +  &
    189                             ( l_v / ( r_v * t_int ) - 1.0 ) *               &
    190                             rho_l * l_v / ( thermal_conductivity_l * t_int )&
    191                           )
    192              
    193           afactor = 2.0 * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
    194 
    195           IF ( particles(n)%rvar3 == -9999999.9 )  THEN
    196 !
    197 !--          First particle timestep. Derivative has to be calculated.
    198              drdt_m  = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 -    &
    199                                           afactor / r_ros +    &
     201
     202          ros_count = 0
     203          repeat = .TRUE.
     204!
     205!--       Carry out the Rosenbrock algorithm. In case of unreasonable results
     206!--       the switch "repeat" will be set true and the algorithm will be carried
     207!--       out again with the internal time step set to its initial (small) value.
     208!--       Unreasonable results may occur if the external conditions, especially the
     209!--       supersaturation, has significantly changed compared to the last PALM
     210!--       timestep.
     211          DO WHILE ( repeat )
     212
     213             repeat = .FALSE.
     214!
     215!--          Surface tension after (Straka, 2009)
     216             sigma = 0.0761 - 0.000155 * ( t_int - 273.15 )
     217
     218             r_ros = particles(n)%radius
     219             dt_ros_sum  = 0.0      ! internal integrated time (s)
     220             internal_timestep_count = 0
     221
     222             ddenom  = 1.0 / ( rho_l * r_v * t_int / ( e_s * diff_coeff_l ) +  &
     223                               ( l_v / ( r_v * t_int ) - 1.0 ) *               &
     224                               rho_l * l_v / ( thermal_conductivity_l * t_int )&
     225                             )
     226
     227             afactor = 2.0 * sigma / ( rho_l * r_v * t_int )
     228
     229!
     230!--          Take internal time step values from the end of last PALM time step
     231             dt_ros_next = particles(n)%rvar1
     232
     233!
     234!--          Internal time step should not be > 1.0E-2 in case of evaporation
     235!--          because larger values may lead to secondary solutions which are
     236!--          physically unlikely
     237             IF ( dt_ros_next > 1.0E-2  .AND.  e_a/e_s < 1.0 )  THEN
     238                dt_ros_next = 1.0E-3
     239             ENDIF
     240!
     241!--          If calculation of Rosenbrock method is repeated due to unreasonalble
     242!--          results during previous try the initial internal time step has to be
     243!--          reduced
     244             IF ( ros_count > 1 )  THEN
     245                dt_ros_next = dt_ros_next - ( 0.2 * dt_ros_next )
     246             ELSEIF ( ros_count > 5 )  THEN
     247!
     248!--             Prevent creation of infinite loop
     249                message_string = 'ros_count > 5 in Rosenbrock method'
     250                CALL message( 'lpm_droplet_condensation', 'PA0018', 2, 2, &
     251                               0, 6, 0 )
     252             ENDIF
     253
     254!
     255!--          Internal time step must not be larger than PALM time step
     256             dt_ros = MIN( dt_ros_next, dt_3d )
     257!
     258!--          Integrate growth equation in time unless PALM time step is reached
     259             DO WHILE ( dt_ros_sum < dt_3d )
     260
     261                internal_timestep_count = internal_timestep_count + 1
     262
     263!
     264!--             Derivative at starting value
     265                drdt = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 - afactor / r_ros + &
    200266                                          bfactor / r_ros**3 )
    201           ELSE
    202 !
    203 !--          Take value from last PALM timestep
    204              drdt_m = particles(n)%rvar3
    205           ENDIF
    206 !
    207 !--       Take internal timestep values from the end of last PALM timestep
    208           dt_ros_last = particles(n)%rvar1
    209           dt_ros_next = particles(n)%rvar2
    210 !
    211 !--       Internal timestep must not be larger than PALM timestep
    212           dt_ros = MIN( dt_ros_next, dt_3d )
    213 !
    214 !--       Integrate growth equation in time unless PALM timestep is reached
    215           DO WHILE ( dt_ros_sum < dt_3d )
    216 
    217              internal_timestep_count = internal_timestep_count + 1
    218 
    219 !
    220 !--          Derivative at starting value
    221              drdt = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 - afactor / r_ros + &
    222                                        bfactor / r_ros**3 )
    223              drdt_ini       = drdt
    224              dt_ros_sum_ini = dt_ros_sum
    225              r_ros_ini      = r_ros
    226 
    227 !
    228 !--          Calculate time derivative of dr/dt
    229              d2rdt2 = ( drdt - drdt_m ) / dt_ros_last
    230 
    231 !
    232 !--          Calculate radial derivative of dr/dt
    233              d2rdtdr = ddenom * ( ( 1.0 - e_a/e_s ) / r_ros**2 + &
    234                                   2.0 * afactor / r_ros**3 -     &
    235                                   4.0 * bfactor / r_ros**5 )
    236 !
    237 !--          Adjust stepsize unless required accuracy is reached
    238              DO  jtry = 1, maxtry+1
    239 
    240                 IF ( jtry == maxtry+1 )  THEN
    241                    message_string = 'maxtry > 40 in Rosenbrock method'
    242                    CALL message( 'lpm_droplet_condensation', 'PA0347', 2, 2, &
    243                                  0, 6, 0 )
     267                drdt_ini       = drdt
     268                dt_ros_sum_ini = dt_ros_sum
     269                r_ros_ini      = r_ros
     270
     271!
     272!--             Calculate radial derivative of dr/dt
     273                d2rdtdr = ddenom * ( ( 1.0 - e_a/e_s ) / r_ros**2 + &
     274                                     2.0 * afactor / r_ros**3 -     &
     275                                     4.0 * bfactor / r_ros**5 )
     276!
     277!--             Adjust stepsize unless required accuracy is reached
     278                DO  jtry = 1, maxtry+1
     279
     280                   IF ( jtry == maxtry+1 )  THEN
     281                      message_string = 'maxtry > 40 in Rosenbrock method'
     282                      CALL message( 'lpm_droplet_condensation', 'PA0347', 2, 2, &
     283                                    0, 6, 0 )
     284                   ENDIF
     285
     286                   aa    = 1.0 / ( gam * dt_ros ) - d2rdtdr
     287                   g1    = drdt_ini / aa
     288                   r_ros = r_ros_ini + a21 * g1
     289                   drdt  = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 - &
     290                                              afactor / r_ros + &
     291                                              bfactor / r_ros**3 )
     292
     293                   g2    = ( drdt + c21 * g1 / dt_ros )&
     294                           / aa
     295                   r_ros = r_ros_ini + a31 * g1 + a32 * g2
     296                   drdt  = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 - &
     297                                              afactor / r_ros + &
     298                                              bfactor / r_ros**3 )
     299
     300                   g3    = ( drdt +  &
     301                             ( c31 * g1 + c32 * g2 ) / dt_ros ) / aa
     302                   g4    = ( drdt +  &
     303                             ( c41 * g1 + c42 * g2 + c43 * g3 ) / dt_ros ) / aa
     304                   r_ros = r_ros_ini + b1 * g1 + b2 * g2 + b3 * g3 + b4 * g4
     305
     306                   dt_ros_sum = dt_ros_sum_ini + dt_ros
     307
     308                   IF ( dt_ros_sum == dt_ros_sum_ini )  THEN
     309                      message_string = 'zero stepsize in Rosenbrock method'
     310                      CALL message( 'lpm_droplet_condensation', 'PA0348', 2, 2, &
     311                                    0, 6, 0 )
     312                   ENDIF
     313!
     314!--                Calculate error
     315                   err_ros = e1*g1 + e2*g2 + e3*g3 + e4*g4
     316                   errmax  = 0.0
     317                   errmax  = MAX( errmax, ABS( err_ros / r_ros_ini ) ) / eps_ros
     318!
     319!--                Leave loop if accuracy is sufficient, otherwise try again
     320!--                with a reduced stepsize
     321                   IF ( errmax <= 1.0 )  THEN
     322                      EXIT
     323                   ELSE
     324                      dt_ros = SIGN( MAX( ABS( 0.9 * dt_ros * errmax**pshrnk ), &
     325                                          shrnk * ABS( dt_ros ) ), dt_ros )
     326                   ENDIF
     327
     328                ENDDO  ! loop for stepsize adjustment
     329
     330!
     331!--             Calculate next internal time step
     332                IF ( errmax > errcon )  THEN
     333                   dt_ros_next = 0.9 * dt_ros * errmax**pgrow
     334                ELSE
     335                   dt_ros_next = grow * dt_ros
    244336                ENDIF
    245337
    246                 aa    = 1.0 / ( gam * dt_ros ) - d2rdtdr
    247                 g1    = ( drdt_ini + dt_ros * c1x * d2rdt2 ) / aa
    248                 r_ros = r_ros_ini + a21 * g1
    249                 drdt  = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 - &
    250                                            afactor / r_ros + &
    251                                            bfactor / r_ros**3 )
    252 
    253                 g2    = ( drdt + dt_ros * c2x * d2rdt2 + c21 * g1 / dt_ros )&
    254                         / aa
    255                 r_ros = r_ros_ini + a31 * g1 + a32 * g2
    256                 drdt  = ddenom / r_ros * ( e_a / e_s - 1.0 - &
    257                                            afactor / r_ros + &
    258                                            bfactor / r_ros**3 )
    259 
    260                 g3    = ( drdt + dt_ros * c3x * d2rdt2 + &
    261                           ( c31 * g1 + c32 * g2 ) / dt_ros ) / aa
    262                 g4    = ( drdt + dt_ros * c4x * d2rdt2 + &
    263                           ( c41 * g1 + c42 * g2 + c43 * g3 ) / dt_ros ) / aa
    264                 r_ros = r_ros_ini + b1 * g1 + b2 * g2 + b3 * g3 + b4 * g4
    265 
    266                 dt_ros_sum = dt_ros_sum_ini + dt_ros
    267 
    268                 IF ( dt_ros_sum == dt_ros_sum_ini )  THEN
    269                    message_string = 'zero stepsize in Rosenbrock method'
    270                    CALL message( 'lpm_droplet_condensation', 'PA0348', 2, 2, &
    271                                  0, 6, 0 )
     338!
     339!--             Estimated time step is reduced if the PALM time step is exceeded
     340                IF ( ( dt_ros_next + dt_ros_sum ) >= dt_3d )  THEN
     341                   dt_ros = dt_3d - dt_ros_sum
     342                ELSE
     343                   dt_ros = dt_ros_next
    272344                ENDIF
    273 !
    274 !--             Calculate error
    275                 err_ros = e1*g1 + e2*g2 + e3*g3 + e4*g4
    276                 errmax  = 0.0
    277                 errmax  = MAX( errmax, ABS( err_ros / r_ros_ini ) ) / eps_ros
    278 !
    279 !--             Leave loop if accuracy is sufficient, otherwise try again
    280 !--             with a reduced stepsize
    281                 IF ( errmax <= 1.0 )  THEN
    282                    EXIT
    283                 ELSE
    284                    dt_ros = SIGN( MAX( ABS( 0.9 * dt_ros * errmax**pshrnk ), &
    285                                        shrnk * ABS( dt_ros ) ), dt_ros )
    286                 ENDIF
    287 
    288              ENDDO  ! loop for stepsize adjustment
    289 
    290 !
    291 !--          Calculate next internal timestep
    292              IF ( errmax > errcon )  THEN
    293                 dt_ros_next = 0.9 * dt_ros * errmax**pgrow
    294              ELSE
    295                 dt_ros_next = grow * dt_ros
     345
     346             ENDDO
     347!
     348!--          Store internal time step value for next PALM step
     349             particles(n)%rvar1 = dt_ros_next
     350
     351             new_r = r_ros
     352!
     353!--          Radius should not fall below 1E-8 because Rosenbrock method may
     354!--          lead to errors otherwise
     355             new_r = MAX( new_r, 1.0E-8 )
     356!
     357!--          Check if calculated droplet radius change is reasonable since in
     358!--          case of droplet evaporation the Rosenbrock method may lead to
     359!--          secondary solutions which are physically unlikely.
     360!--          Due to the solution effect the droplets may grow for relative
     361!--          humidities below 100%, but change of radius should not be too large.
     362!--          In case of unreasonable droplet growth the Rosenbrock method is
     363!--          recalculated using a smaller initial time step.
     364!--          Limiting values are tested for droplets down to 1.0E-7
     365             IF ( new_r - particles(n)%radius >= 3.0E-7  .AND.  &
     366                  e_a/e_s < 0.97 )  THEN
     367                ros_count = ros_count + 1
     368                repeat = .TRUE.
    296369             ENDIF
    297370
    298 !
    299 !--          Estimated timestep is reduced if the PALM time step is exceeded
    300              dt_ros_last = dt_ros
    301              IF ( ( dt_ros_next + dt_ros_sum ) >= dt_3d )  THEN
    302                 dt_ros = dt_3d - dt_ros_sum
    303              ELSE
    304                 dt_ros = dt_ros_next
    305              ENDIF
    306 
    307              drdt_m = drdt
    308 
    309           ENDDO
    310 !
    311 !--       Store derivative and internal timestep values for next PALM step
    312           particles(n)%rvar1 = dt_ros_last
    313           particles(n)%rvar2 = dt_ros_next
    314           particles(n)%rvar3 = drdt_m
    315 
    316           new_r = r_ros
    317 !
    318 !--       Radius should not fall below 1E-8 because Rosenbrock method may
    319 !--       lead to errors otherwise
    320           new_r = MAX( new_r, 1.0E-8 )
     371          ENDDO    ! Rosenbrock method
    321372
    322373       ENDIF
Note: See TracChangeset for help on using the changeset viewer.