CHEMKIN入门指南

1CHEMKIN4.0.1入门指南——《燃烧学1》辅助教程文中如有任何错误，敬请指出，以便不断改进；如有任何问题，欢迎提出，共同探讨助教博士生：卢智恒联系方式：热能系系馆办公室201（O）62782108（H）[e-mail]2005.32一、CHEMKIN的安装和简介1－1安装CHEMKINChemkin最早的版本始于1980，由美国Sandia实验室的KeeRJ等人编写，经过多年的不断发展日趋完善。后来由ReactionDesign公司收购并继续开发，目前最新版为4.0.1。由于学习和科研需要，我们花费12000$向ReactionDesign公司订购了一套最新版本的CHEMKIN4.0.1，其中包括可供20人同时在线计算的license，用于《燃烧学》课程的学习。【安装】请登录@166.111.56.155下载相关文件，其中chemkin401_pc_setup.exe为CHEMKIN的安装程序，chemkin.lic为网络认证文件，详细的安装信息可以参看ftp上的“安装说明.txt”文件。安装完后会自动在桌面及开始菜单建立快捷方式。【注意】1、本套教学用的CHEMKIN软件采用网络认证的方式，请确保电脑已经联网（校内），否则无法计算。2、建议采用1024×768的分辨率，否则某些界面将无法完全显示。1－2CHEMKIN简介CHEMKIN是一种非常强大的求解复杂化学反应问题的软件包，常用于对燃烧过程、催化过程、化学气相沉积、等离子体及其他化学反应的模拟。CHEMKIN以气相动力学、表面动力学、传递过程这三个核心软件包为基础，提供了对21种常见化学反应模型及后处理程序。三个核心程序模块为：1)气相动力学（Gas-PhaseKinetics）：是所有程序计算的基础，包括气相成分组成、气相化学反应与相关的Arrhenius数据等信息。2)表面动力学（SurfaceKinetics）。很多反应过程包括多相反应，如催化反应、化学气相沉积、固体腐蚀等。在这些反应里，SurfaceKinetics提供两相反应所需的各种信息，如表面结构、表面和体内的成分组成及热力学数据、表面化学反应等。3)传递（Transport）。提供气相多组分粘度、热传导系数、扩散系数和热扩散系数等。其中SurfaceKinetics和Transport必须以Gas-PhaseKinetics为基础，因为它们中出现的成分都必须在Gas-PhaseKinetics中已定义。Gas-PhaseKinetics、SurfaceKinetics和Transport提供了化学反应的基本信息，生成动态链接库供后续程序调用。用户可以自己编写程序调用它们来实现指定的功能，但最方便的是使用CHEMKIN自带的反应模型，共分7类，包括21个反应模型和2个应用程序，将在下一节介绍。3二、CHEMKIN的简单使用入门2－1CHEMKIN的用户界面CHEMKIN的用户界面如图1所示。除了传统的Windows菜单和按钮以外，CHEMKIN的工作界面分为任务栏、窗口栏、消息栏三部分。图1CHEMKIN4.0.1的用户界面其中任务栏包括OpenProjects和Models两个选项卡，Models选项卡中列出了CHEMKIN提供的21种反应模型和2种应用程序，分7类排列，如表1所示。有关OpenProjects选项卡的使用将在下文的例子中介绍。表1CHEMKIN提供的7类21种反应器与2种应用程序Miscellaneous（杂项）ExternalSourceofInletGas，添加入口气体源，一般在有多路气体输入时才使用Non-ReactiveGasMixer，计算不反应气体组分的混合过程ChemicalandPhaseEquilibriumCalculation，计算化学平衡和相平衡MechanismAnalyser，分析气相和表面化学反应系统中的热化学、传递及动力学数据Closed0-DReactors（封闭0维反应器）ClosedInternalCombustionEngineSimulator，模拟封闭的内燃机内的燃烧情况ClosedHomogenousBatchReactor，模拟封闭的全混同性反应器，包括定压、定容反应器4ClosedPartiallyStirredReactor(PaSR)，模拟封闭的部分混合的反应器ClosedPlasmaReactor，模拟封闭的等离子体反应器Open0-DReactors（开口0维反应器）PerfectlyStirredReactor(PSR)，模拟稳态及瞬态的充分混合反应器PlasmaPSR，模拟充分混合等离子体反应器。PartiallyStirredReactor(PaSR)，模拟部分混合反应器FlowReactors（流动反应器）PlugFlowReactor，一维柱塞流反应器PlasmaPlugFlowReactor，等离子体一维柱塞流反应器PlanarShearFlowReactor，平板层流反应器CylindricalShearFlowReactor，圆柱层流反应器HoneycombMonolithReactor，蜂窝结构反应器FlameSimulators（火焰模拟）PremixedLaminarBurner-stabilizedFlame，模拟层流预混的稳态火焰PremixedLaminarFlame-speedCalculation，层流预混火焰传播速度的计算DiffusionorPremixedOpposed-flowFlame，模拟扩散或预混的对冲火焰CVDReactors（化学气相沉积反应器）StagnationFlowCVDReactor，模拟用于化学气相沉积的滞流反应器RotatingDiskCVDReactor，模拟用于化学气相沉积的转盘流反应器ShockTubeReactors（激波管道反应器）NormalIncidentShock，模拟入射激波的化学动力学NormalReflectedShock，模拟反射激波的化学动力学2－2CHEMKIN的求解过程1、GasPhaseKinetics（气相动力学）的处理GasPhaseKinetics的前处理器(Pre-processor)读取用户编写的气相动力学输入文件和自带的热力学数据库(therm.dat)，生成包含元素、组分、热力学数据反应信息的Gas-PhaseKinetics连接文件。Gas-PhaseKinetics提供子程序库处理该连接文件。2、SurfaceKinetics（表面动力学）和Transport（传递过程）的处理如果化学反应包含表面反应或传递过程，则需要相应地执行这两个核心程序块。SurfaceKinetics的前处理器读取用户编写的表面动力学输入文件，生成包含表面反应信息的SurfaceKinetics连接文件，SurfaceKinetics提供子程序库处理该连接文件。5Transport的前处理器根据Gas-phaseKinetics连接文件中的信息，自动从CHEMKIN自带的传递数据库(tran.dat)读取相应的数据，然后生成包含传递信息的Transport连接文件，Transport提供子程序库处理该连接文件。3、反应模型求解根据问题需要，CHEMKIN读取模型输入文件确定求解方法。在4.0及其以上版本的CHEMKIN中，新加入了通过相应的模型设置窗口中设置模型的参数的功能。用户设置完成后点击CreateInputFile即可生成模型输入文件，然后用户可以通过ViewInputFile按钮查看输入文件的内容。而对于4.0以前的版本，用户需要通过手动编辑模型输入文件。但对于文件的内容，都是相同的，都是采用关键字的形式声明模型的功能调用和参数设置。有关常用的平衡计算模型和全混反应器模型的关键字列于附录2、3。完成所有设置后，即可RunModel进行计算，CHEMKIN会自动调用上述Gas-PhaseKinetics、SurfaceKinetics、Transport各自的子程序来读取反应信息，调用模型输入文件控制模型求解过程。程序计算结束后，会生成一数据文件xxxxxx.out供用户查阅数据，以及一动态连接文件XMLdata.zip供后处理（绘图）使用。4、后处理（Post-Process）CHEMKIN提供了统一的后处理器，用于对应用程序的结果进行分析和绘图。2－3CHEMKIN的用户操作步骤下面结合实际例子介绍用户操作的步骤。【例1】计算化学当量的H2与空气的定压绝热燃烧温度。1．运行CHEMKIN，点击菜单Project-New，输入项目名称，这里我们定为H2-air。2.决定问题的性质，选择适当的反应模型。由于绝热燃烧温度的计算是一个相平衡过程，不涉及具体的反应过程，于是我们很容易地想到用ChemicalandPhaseEquilibriumCalculation模型。点击任务栏中的model选项卡，点击ChemicalandPhaseEquilibriumCalculation图标，此时在窗口栏的DiagramView窗口中将看到新加入一个相平衡计算的模型，最后点击窗口右下角黄色的UpdateProject按钮，如下图所示。6通常情况下，一般的化学反应问题通过适当的假设和简化，都可以对应到某一种CHEMKIN包含的反应模型，有时一个问题还可以有多种选择。选择恰当的应用程序是求解问题的第一步。但是如果实在不幸没有一种模型可以很好的解决你的问题，或者你想要更完美地解决一些问题，就只有自己编写程序，调用CHEMKIN里的子程序库进行计算了。3．此时左侧任务栏会自动切换至OpenProjects选项卡，双击Pre-Processing，窗口栏出现Pre-Processing的参数窗口。在窗口中的WorkingDir一项中填入你希望的保存路径，或者通过右侧的Browse按钮点击选取。然后按NewChemistrySet按钮，点击Gas-PhaseKineticsFiles项右端的编辑按钮，如下图所示。在弹出的窗口中选择刚才的工作路径，输入文件名chem.inp，按Open/Create按钮后即可开始编辑气相动力学输入文件了。↓--------------------------------------【CHEMKIN的文件规则】--------------------------------------↓CHEMKIN的输入文件有它自己的规则，用户在编辑输入文件的时候应该遵守这些规则。在介绍Gas-PhaseKinetics输入文件之前，先介绍输入文件的一些通用规则：①注释符号“！”。符号“！”无论出现任何位置，此行后面的文本将作为注释文本而被忽略。②输入文件每行不应超过80个字符③除了个别有极其严格规则的地方外（如热力学数据的定义等，均会特殊声明），空格作为分隔符，而且多个空格将被视为一个。④数字格式：可以为整数（如99）、浮点数如（99.99）、或E格式（如9.999E2，E大小写均可）。下面介绍如何编写Gas-PhaseKinetics的输入文件。该文件包括四部分的内容：元素、组分、热力学数据、化学反应，如下例所示：!例：Gas-PhaseKinetics输入文件ELEMENTSHOEND!元素定义SPECIESH2HO2OOHH2OEND!组分定义THERMO!热力学数据(本例中只重新定义了“OH”的热力学数据)OH121286O1H1G0300.005000.001000.0010.02882730E+020.10139743E-02-0.02276877E-050.02174683E-09-0.05126305E-1420.03886888E+050.05595712E+020.03637266E+020.01850910E-02-0.16761646E-0530.02387202E-07-0.08431