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一、CHEMKIN的安装和简介
1-1安装CHEMKIN
Chemkin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mbustion:
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。
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
ClosedPartiallyStirredReactor(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。
Transport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。
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
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