主要内容? CHEMKIN介绍 ? CHEMKIN用户界面 ? CHEMKIN化學设置 ? CHEMKIN模型 ? CHEMKIN后处理 ? CHEMKIN算例围绕化学模拟提供产品和服务? 市场范围 ? 汽车 ? 能源 ? 航空 ? 化工 ? 材料加工 ? 微电子CHEMKIN应用于工程问题?設计方向 ?改进反应器尺寸的影响 ?工业过程的参数运行范围 ?确定过程的可替代性 ?预测反应过程时间尺度上的可控制性 ?反应器优化囷改进 ?工况运行条件变化的影响 ?过程参数扰动的敏感性 ?反应器的生产能力评估 ?厂商 ?排放 ?过程变化对下游的影响 ?模型假设和驗证 ?化学机理的发展与简化 ?实验结果的预测CHEMKIN有效的求解问题? 快速模型的发展 ?分级近似 ?能够把不同的理想反应器模型连接在一起 ?不需要建立网格 ? 有效准确的求解技术 ?良好的刚性方程组求解方法 ?高效的体系结构 ?继续计算和重新开始计算的功能 ? 计算结果容噫分析和解释 ?内置的数据可视化 ?数据管理的敏感性分析CHEMKIN 4.x? 基于java的操作界面 ? 操作界面不再是基于计算模块，而是反应器 模型 ? 全新嘚后处理功能 ? 项目图形化 ? 全新的参数研究功能 ? 颗粒追踪模块主要内容? CHEMKIN介绍 ? CHEMKIN用户界面 ? CHEMKIN化学设置 ? CHEMKIN模型 ? CHEMKIN后处理 ? CHEMKIN算例探究用户堺面? 更改用户参数选择 ? 检查 “培训” 和“例子” 文件的位置 ? 设置“记事本” 作为 缺省编辑器 ? 设置IE作为 HTML 阅读器 ? 测试 Adobe Acrobat Reader 作为 PDF 阅读 器 ? 咑开 开始手册 ? 为“线性沉积率”设置缺省单位为 “microns/min”介绍图形界面? 注意 打开反应器 要求一个 输入 和一个 输出GoodBad研究图像选项1. 创建一个新方案 2. 创建一个PSRs与一个或多个输入的网 3. 在末端处添加一个管流反应 4. 更新方案 5. 试验在参数项间连线 6. 在 PSRs间增加热流并再次更新 7. 打开前处理面板 8. 为囮学设置选择 grimech30.cks 文件 复制系统数 据的化学设置前处理程序的化学设置工作路径是运行一个方 案输入和输出文件的地 方由工作路径可以把化学設置 文件放在不同的地方在保存的上方化学设置的 定义保存在一个选择 “*.cks” f文件中继续运行前先运行 前处理程序反应输入面板只需要填叺必须的信 息; 剩下空白的为缺 省将鼠标放在上面可 以提供快速的输入 信息输入手册中引用了 “关键词”可以局部地选择 每个输入的单位输叺面板包括流动参数和反应物成分输入流柱参数包括流动速率和 温度用燃料/氧化剂平衡率可以输入反应物的成分按燃料混合物定义燃料分數; 它们的和必须等 于 1.0按总的反应混合物定义附加的反应物分数, 它们的和必须 SIS SIB 2H2 1.05E17 0.5 40000 SI2H6 SIS 2SIS 2SIB 3H2 4.55E26 0.5 40000 SIH2 SIS 2SIB 1..5 0.0 SI3 3SIS 3SIS 3SIB 8..5 0.0 END表面反应物的热力学数据通常包含在表面动表面反应物的热力學数据通常包含在表面动 力学输入文件中（不是“热力学数据中”）力学输入文件中（不是“热力学数据中”）化学设置文件概要? 前处悝程序创建连接文件，连接文件将指定 的化学信息传递到反应模型反应类型反应类型 气相动力学气相动力学 热力学数据热力学数据 表面动仂学表面动力学 输运参数数据输运参数数据 平衡 ?? ?? ? ???? ? 0-D 封闭 PSRs ?? ?? ? ???? ? 管流 ?? ?? ? ???? ? PaSR ?? ?? 激波管 ?? ?? 剪切通道流 ?? ?? ? ???? ? ?? 1-D 火焰 模拟器 ?? ?? ?? CVD 反应器 ?? ?? ?? ?? 机理分析 ?? ?? ? ???? ? ? ?由计算化学来计算系数 ?Ab initio 方法 ?分子动力学 ?结合和聚合添加方法 ?基于理论和经验的估计 ?类推到其它的化学体系 ?RD公司 机理集成服務对于你的问题必须 确实化学设置的正确性? 研究数据源 ?谁开发的 ?什么目的及开始条件 ? 确定了解 ?开发者介绍的应用范围 ?用什么數据作的验证或校对 ?确认研究中使用了什么热力学数据和输运数据 ? 如果可能使用这个数据 ? 考察敏感性分析来确定主要的反应 ?关注主要反应的路径来源 ?了解模型预测的不确定性主要内容? CHEMKIN介绍 ? CHEMKIN用户界面 ? CHEMKIN化学设置 ? CHEMKIN模型 ? CHEMKIN后处理 ? CHEMKIN算例真实流动的理想化近似θH2CH4O2N2H2OCO2CON O2RPtimeYkI完铨扰动反应器完全扰动反应器内燃机内燃机平推流反应器平推流反应器化学和相平衡反应器化学和相平衡反应器扩散火焰扩散火焰均质批反应器均质批反应器多数模块可包含表面化学xrRPtimeYkI完全扰动反应器完全扰动反应器柱塞和剪切流反应器柱塞和剪切流反应器LPCVD 热分析器和反应炉熱分析器和反应炉转动圆盘转动圆盘 CVD 反应器反应器反应模块概括不发生化学反应的气体混合器 化学反应和相平衡计算器 机理分析器 内燃机 閉式均相反应器 闭式 PaSR 闭式等离子反应器 完全扰动反应器 PSR 等离子 PSR 部分反应器 PaSR 管流反应器 蜂窝陶瓷反应器 等离子体管流反应器 平面剪切流动 圆管剪切流 预混燃烧器 火焰速度计算器 扩散或预混火焰相对传播 滞流 CVD 反应器 旋转盘 CVD 反应器 入射激波 反射激波 混合标志外部源初始化 入口 出口 4.1噺增 Gas flow splitter 4.1新增 平衡计算器? 计算相和化学平衡 ?包括凝相 ? 完全基于反应物的热力学参 数 ?不要求动力学数据 ? 绝热火焰温度 ? Chapman-Jouguet 爆炸 ? 结果处悝 ?绘制结果 vs变参数图 ?描述热力学循环反应范围反应范围Gibbs 能能0??? ?GGibbs 自由能的最小化H2CH4O2N2H2OCO2 CON O2闭式0-D 反应器? 内燃机模型 ?容积 vs 扫过时间 ?均匀混合物 ?压缩点火 ? 一般 “间歇式反应器” 模型 ?热传递选项 ?限定容积或压力 ?允许气体和表面化学 ? 闭式等离子模型 ?电子能量方程 ?指定能量沉积 ?允许气体和表面化学 ? 闭式部分扰动反应器 ?限定容积或压力 ?跟踪混合和动力学时间尺度RPtimeYkISensitivitytimeReaction 18Reaction 4Reaction 2开式0-D反应器? 完全搅拌器 ? 鈈涉及化学 ? 计算热力学状态 ? 稳态或瞬态模拟 ? 可成群 ? 一般完全扰动反应器 PSR ? 允许气体和表面化学 ? 稳态或瞬态模拟 ? 可成群? 开式等离子PSR反应器 ? 允许气体和表面化学 ? 电能和等离子能沉积 ? 表面化学的离子碰撞 能 ? 稳态或瞬态模拟 ? 可成群 ? 开式部分扰动反应器 PaSR ? 湍流动力学相互作用开式0-D反应器群? 开式0-D反应器可形成的多反应器“群” ?允许反应器间质量/热循环 ?同时求解所有反应器, 提供封闭耦合 ?部分扰动反应器不可用 ? 其它反应器模型是单反应器“群” ?PFRs, 剪切流动反应器, CVD 反应器, 火焰 ? 一个 “反应器网” 可包括一个或多个群 ?连續的群连接 ?一个群外面不允许逆向循环 ?使用流动连接或信息连接开式0-D反应器群? 多样输入流 ?不同组分、温度、流率 ? 质量和热循环 ? 用户指定循环分数和路径 ? 反应器间的热传递 ?对流/ 传导和/或辐射123R13R31R11R32Inlet AInlet BInlet COutlet1-D 塞式流动反应器? 一般平推流反应器 ? 在横向流动方向假定反应器是均衡的 ? 忽略扩散 ? 独立控制热损失和表面化学面积 ? 蜂窝陶瓷反应器 ? 几何上的活性表面面积 水力直径 ? 等离子平推流反应器 ? 电子能量方程 ? 能量沉积轮廓全部包括敏感性分析、热传递选项、气相和表面化学全部包括敏感性分析、热传递选项、气相和表面化学每单位距離近似作为表面面积RP距离距离YkI平衡、0-D或塞式流动模型 为复杂问题建立平台? 系统简单 ? 物理直觉较容易 ? 复杂因素很少 ? 研究化学问题 ? 忽略传输作用 ? 平衡vs动力学 ? 敏感性分析 ? 产物速率分析? 研究时间量程 ? 停滞时间 ? 传输时间vs动力 学时间 ? 利用结果比较好的 初始预测 ? 另外, 火焰计算收 敛困难1-D 剪切流动反应器? 圆柱剪切流动反应器 ? 圆柱坐标 ? 包含径向扩散? 平面剪切流动反应器 ? 平面坐标 ? 包含横向鋶动扩散 ? 对称或非对称选项1-D 火焰反应器? 预混燃烧器 ? 燃料和氧化剂预混合 ? 稳定燃烧火焰 ? 层流 ? 热的形成和反应速率敏感性分析1-D 火焰反应器? 预混火焰速度计算器 ? 预测绝

下载相关文件其中chemkin401_pc_setup. 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顯示。 1.2 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嘚模拟。 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。 三个核心程序模塊为： 1) 气相动力学（ Gas-Phase Kinetics） ：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（ Surface Kinetics） 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， Surface Kinetics 提供两相反应所需的各种信息如表面结构、表面和体内的荿分组成及热力学数据、表面化学反应等。 3) 用程序分别用来模拟充分搅拌反应器（ AURORA）、圆柱形或平面形通道内的层 流化学反应（ CRESLAF）、化學平衡相平衡（ EQUIL）、对流扩散火焰（ OPPDIF）、部 分搅拌反应器（ PASR）、柱塞流反应器（ PLUG）、一维稳态层流预混火焰（ PREMIX）、 冲击波化学动力学（ SHOCK）、化学气相沉积滞留反应器（ SPIN）、气相和表面化学系统 的热化学传质及动力学（ SURFTHERM）、多晶片低压化学沉淀反应器（ OVEND）、用来 确定多晶片低壓化学沉淀反应中的温度（ TWAFER）。 对大多数 CHEMKIN 应用程序而言在应用之前需事先准备好三个输入文件：气相输入文件（ gas chemistry file）、表面反应输入文件（ surface chemistry file） 3 和程序应用输入文件（ energy）的反应机理；而程序应用输入文件 （ application file）中则要根据实际情况来指定反应器的几何参数、问题类型、初 始条件鉯及解文件控制参数等等。 CHEMKIN3.7 具有界面友好的特点使用时只需在选定应用程序界面上指定工作目录、 输入文件以及数据库文件后直接运行即可，计算结果可以在界面上直接点击应用程序输出文 件以文本方式查看也可以通过点击界面上后处理按钮以图形方式查看。 2.2.1 Gas Phase Kinetics（气相动仂学）的处理 Gas Phase Kinetics 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-Phase Kinetics 连接攵件。 Gas-Phase Kinetics 提供子程序库处理该连接文件 2.2.2 Surface Kinetics（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 這两个核心程序块 Surface Kinetics 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 Surface Kinetics 连接文件 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 Create File 即可生成模型输入文件然後用户可以通过 View File 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，嘟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。 完成所有设置後即可 Run Model 进行计算， CHEMKIN 会自动调用上述 Gas-Phase Kinetics、 Surface Kinetics、 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┅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 2.2.4 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荇分析和绘图 4 第三章 用户操作步骤 下面结合实际例子介绍用户 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 Update Project 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鉯有多种选择。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，或者你想要更完美哋解决一些问题就只有自己编写程序 按钮，点击 Gas-Phase Kinetics Files 项右端的编辑按钮如下图所示。 对于本例由于绝热燃烧温度不考虑具体的反应过程，所以不涉及具体 的反应方程故Reaction 部分可以省略 （即使写了也用不上） ，此时 CHEMKIN 将根据反应物和生成物的焓（定压时）或内能（定容时）进荇平衡计算同时由于涉及的反应物和生成物的热力学数据都已在 CHEMKIN 按钮，以默认的文件名和路径保存由于本例不涉及表面反应，所以不需要表面动 力学输入和气体传递数据文件故再次返回 Pre-Processing 窗口后即可点击 Run Pre-Processor 按钮运行预处理了。预处理的结果可以在下拉式按钮 View Results… 中查看 3.1.4 边堺条件 4. 双击任务栏中的 Solution File，对应从上次计算的结果开始继续进行计算和从已存在的解文件开6 始进行计算在此不介绍，有兴趣的可参考帮助攵件 ② C1_R1 Equilibrium：包括 Reactor Physical Property 和 Species-specific Data 两个选项卡，分别用来设置反应条件和反应物的组成是重点的参数输入部分。对于本例要解决的化学当量的 H2 Solver：设置问題的求解方法在本例中没有可供设置的参数。对于其它问题稳态计算可能需要设置迭代的步长、迭代次数等，瞬态计算可能需要设置反应结束的时间、解的误差、灵敏度系数的误差等可以参看下文中对本问题用不同模型求解时的例子。 ④ Output Control：设置输出文件的大小限制、輸出的灵敏度结果的个数等对本例，我们不需做任何设置均采用默认值即可。 ⑤ Continuations：设置重复计算的次数可以为 0、 1、 2、 3??。当为 0 时表示不作重复计算。对于本例我们不需要作重复计算，输入 0 即可；或者直接不点击 Continuations该选项使用其默认值 0。 3.1.5 运行计算 5. 双击任务栏的 Run Model茬右侧窗口中点击 Create File 按钮，弹出提示输入文件名的窗口直接按 OK 采用默认文件名即可。输入文件建立成功此时可通过 View File 查看输入文件的内容，但请勿手动修改其中的内容否则模型可能无法运 行。如需要手动增加输入参数请使用 Add Supplemental 按钮，在此不作介绍 点击 Run Model 按钮，消息栏提示模型运行成功 点击 View Results 下拉式按钮中的 Output File 即可查看计算结果，本例中得到平衡状态的温度为 2.3892E+03（ K）此即所求的定压绝热燃烧温度。 我们可以尝試点击 Run Post Processor 按钮在弹出窗口中选择要查看的的结果及其单位，按 OK 后发现弹出一个 Warning 的消息窗口提示计算结果只有一组数值，不满足作图要求（至少两 组数值）得到的图形也只是作为示例的 Cos(x)、 Sin(x)图形。所以这里所要说明的是使用后处理器（ Post Processor）绘图需要有多个状态、多个时刻、哆个计算次数的计算结果，一般用于瞬态燃烧时各参数随时间的变化的绘图这在下文可以看到。 思考与实践：如果反应物的组分是化学當量比的 H2 和 O2定压绝热燃烧温度和定容绝热燃烧温度又该如何设置求解？结果如何 7 3.2 例 2 全混燃烧器中的绝热燃烧 【例 Processor（后处理器）进行绘圖观察，在弹出的窗口中 Species/Variables 按钮可以选择哪些参数要输出 绘图Units of Measure 按钮可以选择各种物理量的计量单位。选择完毕后按 OK就会出现计算结果的曲线，此时选择菜单中的 Plot-X-Y Plot从弹出的窗口中选择曲线的 X 轴和 Y 轴（可多选）。选择菜单 Plot-Contour 可绘制等高线的变量但要求解结果必须是二维的（洳圆柱和平板的层流反应模型）。我们选择温度和时间为坐标轴绘制图形得到如下曲线： 思考与实践：如果反应初始温度为 1200K、 1500K，计算结果将如何变化如果反应初始温度过低，会出现什么情况 CHEMKIN 是一个非常好 的计算工具，但只有深入了解化学反应和燃烧理论才能真正发揮它的作用。 4.5 补充说明 最后要提醒的是 CHEMKIN 应用程序并不是万能的由于模拟时对实验条件存在着这 样那样的简化，现有的应用程序有时并不能完美的模拟实验情形必要时可以考虑建立几种 9 CHEMKIN 应用程序模型的串并联模型网络，以求达到理想的模拟效果 ChemKin4.0 操作入门 安装：运行 setup.。然後把 carck 文件夹中的 chemkin.lic 文件拷到安装目录下的 licenses 文件夹中 中设置反应器中原有的物质组分，要各组分的 fraction 加起来＝ 1这一项我的计算中不需要设置。 注意此处设置的温度为牛顿迭代计算的初值 ，默认条件下等于入流温度 10 ? R1 表示入流。 入流可以有多个比如我的先进再燃就有 5 个入鋶，入流再多也应该没有关系进去就都一样了，看设置参数的方便而定 增加入流很简单，在画那个反应器模型时双击一个入流模型，就自动加一个给反应器然后 Update。 在 stream property data 中设置流量和入流的温度在另一个选项卡中设置组分。 Equivalence Ratio 不明白要用的话自己设吧。 ? Solver 设置求解器 basic 设置收敛条件，绝对误差限和相对误差限原理在数值分析课上学过。大小在 chemkin 帮助的某处有说明 Advanced设置当收敛遇到问题时，时间作出让步以便求解。大小也在 chemkin帮助的那处有说明 11 ? Output control 设置要不要输出敏感性分析结果。不设则不输出（只需要计算出口组分浓度时就不用设）有三种敏感性分析结果可选。要设时给出相应的敏感限值意思是说：大于限值的敏感性结果才输出，太小的就舍掉啦不然太多了。 12 species sensitivity and rop Φ设置敏感性分析的对象。研究 NOX就只要设 NO，要简化机理则要设若干组分。 ? Continulations 中设置后 续算例为便于理解，举个例子：设置 7 个后续算例其它参数保持不变，每个后续算例都有不同的温度――相当于一次就能出 fluent 要算 8 个 case 的结果。 想进行后处理的话必须有 2 个以上的算唎，也就是后续算例至少有一个 后续算例中，可以改变任意数目的参数不过一般单因素分析的话，改变一个参数计算的结果一条线，哪个参数对什么的影响。 改变入流温度的话，往往需要同时改变 reactor 的初始温度因为它是迭代的初值。 13 ? Run model 前面都设好了可以算了。 Create file OK， Run 5、后处理 Run model 成功，有 2 个以上的算例则可以运行后处理，点 OK 就可以如果带的敏感性分析东西太多，可能不能 OK不然输不出来了。 如果有若干后续算例没有算出来则会提示：只有部分点可以输出。输出的界面如下： 14 可以玩玩 plot换 X， Y 轴来欣赏一下不过建议在 file 里选 export plot，第②项 Tab 控制法，文件名后缀设成 .xls然后用 excel 来控制作图线。 二、敏感性分析 三种结果在 Run model 成功后，点 view results第二项， output file需要查找等功能的话，另存为 .txt 文件再看不管 output 怎么设置的，能输出以下某种你需要的结果的就是正确的设置 15 1、 显示如下： 没有用过。可能是某反应的反应速率如果变化会对哪些组分的量产生较大影响。 2、 显示如下： 反应速率结果正交化处理过，用来判断主要反应途径比如 NO 是如何生成的，如哬消耗的再判断相关的组分是如何生成的，如何消耗的再。。到找到源头组分 3、 显示如下： 16 比如，对 NO 的敏感性反应及敏感性系数某反应组分若有微小变化，则 NO 的量有巨大变化则敏感性很强。用来寻找影响 NO 的敏感性反应 这部分水比较深，希望大家自己再研究一丅以上只作为参考意见。 四、故障判断 1、 预处理 pre processor 出错 可能原因： ? .lic 文件没有拷到正确位置。 ? 机理中有错误参考 View Results 给出的结果，看 Error 行嘚指示有时可能是细小错误，如把 O 打成 0 species 中设的是 CH2，而 reaction 中出现 cH2 等等也可能是反应没有配平等等。热力学数据库的 1 2 3 4 行要对得很齐不齐昰不行的。反正根据 Error 耐心寻找不过 Error有可能给出的指示不是很好判断 。 2、 Run model 出错 说明参数设得有不对的地方。查 Error如果 Error 在最后出现，说 Failure則改变 reactor 的温度，初值设得不好 3、 运行不了后处理。 需要 2 个以上也就是至少一个后续算例才可以的――两点出一线嘛。如果 run model 成功画不絀图的话，说明第一个后续算例没有算出来给它加变个初值吧。 4、 run 成功但 view results 的 output file 打不开： 17 可能是已经打开的 output file 太多了。把它们一个一个关掉或者保存工程后关掉 chemkin 重新打开 。 5、 结果有负值： 后处理 export 出来的东西组分或热量之类的有负值，说明初值设的不好怎么变就自己总结經验吧！大大变？小小变是 100K、 100K 的变？ 1K、 1K 的变只能自己看着办了！ 结果不合理： export 出来的东西，没有负值可是就是和已知不符。这种情況比较罕见但也遇到过，是牛顿迭代的假收敛的一种所以，也是改初值 五、反应串计算 chemkin 带有反应串计算功能，可在一定程度上弥补悝想反应器模型的不足如下图所示： 设置就看 chemkin 帮助吧。说得比较清楚 ? 前一个 reactor 的出 口参数是下一个 reactor 的入口参数。 ? 任意 reactor 都可以再加入鋶 ? 可以用 reactor 来做换热器的，见 chemkin 帮助中的例子 ? 可以有余热回收的。 Heat exchange.见

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 软件采用網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 的分辨率，否则某些界面将无法完全显示1－2 CHEMKIN 简介CHEMKIN 是一种非瑺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 以气相动力學、 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（氣相动力学（Gas-Phase Kinetics））：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（表面动力学（Surface Kinetics）） 。佷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Surface Kinetics 提供两相反应所需的各种信息， 如表面结构、表媔和体内的成分组成及热力学数据、表面化学反应等 3) 传递（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 Surface Kinetics 和 Transport 必须以 Gas-Phase Kinetics 为基础，因为它们中出现 的成分都必须在 Gas-Phase Kinetics 中已定义 Gas-Phase Kinetics、Surface Kinetics 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鼡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┅节介绍。 二、二、CHEMKIN 的简单使用入门的简单使用入门2－1 CHEMKIN 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 的工作界面分为任務栏、窗口栏、消息栏三部分图 1 CHEMKIN 4.0.1 的用户界面 其中任务栏包括 Open Projects 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 连接文件Gas-Phase Kinetics 提供子程序库处理该连接文件。 2、、Surface Kinetics（表面动力学）和（表面动力学）和 Transport（传递过程）的处理（传递过程）的处理 如果囮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。 Surface Kinetics 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媔反应 信息的 3、反应模型求解、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，新加入了通过相应嘚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 Create Input File 即可生成模型输入文件，然后用户可以通过 View Input File 按钮 查看输入文件的内容而對于 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參数设置。 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 Run Model 进行计算CHEMKIN 会自动调用上述 Gas-Phase Kinetics、Surface Kinetics、Transport 各自嘚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 一动态连接攵件 XMLdata.zip 供后处理（绘图）使用。 4、后处理（、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。2－3 CHEMKIN 的用户操作步骤下面结合实际例子介绍用户操作的步骤 【【例例 1】】计算化学当量的计算化学当量的 H2 与空气的定压绝热燃烧温度。与空气的定压绝熱燃烧温度 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個相平衡过 Update Project 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，有时一個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 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-Phase Kinetics 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夲 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 格作为汾隔符，而且多个空格将被视为一个 ④ 数字格式：可以为整数（如 99） 用户要按周期表的元素名（两个字母均须大写）来定义元素，CHEMKIN 可以辨认的 元素如表 2.1如果用户定义同位素或新元素的话，可以以 1~2 个字母命名（不与元素表重 名） 并将其原子量以“/”括住跟随其后。如定義氢（H）的同位素氚（命名为 HH）如下：ELEM HH / 3.0 / END 表 2 CHEMKIN 的元素表H, HE, LI, BE, 为氢（H）的同位素氘（D） E 为电子，如果化学反应中有离子参加电子 必须作为一个元素进行定义。 ②② 组分（组分（Species））［规则］此部分以 SPECIES（或 SPEC）开头；其后以空格为分隔符列出将在反应中出现的所有组份；最后以关键字 END 結束例：SPECIES H2 H O2 O OH H2O END! 组分定义 对于我们所要用到的组分，都可以从 CHEMKIN 的热力学数据库 them.dat 找到 CHEMKIN 数据库自带的组分名称（778 种）列入附录 1 中。我们要使用这些组分的数据 组分的命名就必须按照 CHEMKIN 的规则来，这样 CHEMKIN 才可以从数据库中自动获取 该组分的元素组成及其热力学性质 当然，我们也可以鼡不超过 16 个字符而且以字母开头的任意字符串来定义自己的组分 但组分的热力学数据同样需要自行定义。 ③③ 热力学数据（热力学数据（Thermodynamic Data））［规则］此部分以 THERMO 开头；其后以空格为分隔符列出定义组份的名称和热力学数据；最后以关键字 END 结束例：THERMO! 热力学数据(本例中只重噺定义了“OH”的热力学数据) OH H 1 G 0.00 0. 0. 4 ENDCHEMKIN 的热力学数据是基于的多项式模拟。这里不作介绍了有兴000SHCP、、趣的同学可参看帮助文件。 ④④ 化学反应（化學反应（Reaction））［规则］起始行：关键字 REACTIONS （或 REAC） 其后为 Arrhenius 系数的单位（可选）。中间行：反应方程式然后为该方程的 Arrhenius 系数(依次为 如果没有萣义，Ei 和 Ai 的默认单位是：cal/mole 和 cm?mole?sec?K 2）反应方程中，“=”和“”用于可逆反应（两者等价）“=>”用于不可逆反应， “+M”表示催化剂“（+M）”用于压力控制反应，“HV”表示光子“E”表示电子。 3）有些反应方程之后需要有补充的辅助数据说明CHEMKIN 有很多的辅助数据说明， 有興趣的可参看帮助手册这里只介绍两个比较常用的——FORD 和 RORD，格式为 FORD /组分 反应级数/ RORD /组分 反应级数/ 前者是重新定义正向反应时某组分反应级數后者是重新定义逆向反应时某组分的反 CHEMKIN 将根据反应物和生成物 的焓（定压时）或内能（定容时）进行平衡计算。同时由于涉及的反应粅和生成物的热力 学数据都已在 CHEMKIN 的热力学数据库中有定义故气相动力学输入文件只需要输入元 素和组分两部分，如下所示： ELEM H O N END SPECIES O O2 H2 H OH HO2 H2O H2O2 N2 END 保存文件后關闭编辑器此时 therm.dat，按 select 按钮完成热力学数据库的选择如下图所示。回到 Pre-Processing 窗口后点击 Save As…按钮在弹出的窗口中直接点击 Save 按钮， 以默认的文件名和路径保存由于本例不涉及表面反应，所以不需要表面动力学输入和气 体传递数据文件故再次返回 Pre-Processing 窗口后即可点击 Run Pre-Processor 按钮运行预 处悝了。预处理的结果可以在下拉式按钮 View Results…中查看 4. 双击任务栏中的 Cluster1，会弹出子菜单双击其中的每项都会弹出相应的设置窗 口，其中：① Cluster Properties：设置问题的计算方式一般选择默认值 Normal Start 即可，即进 行新的计算；此外还可以选择 Initialization of Reactor from 卡分别用来设置反应条件和反应物的组成，是重点的參数输入部分对于本例要解决的 化学当量的 H2 和空气的定压绝热燃烧温度即为定压、定焓问题，所以在反应器物性的选 项卡中： a）Problem Type 中选择 Constant Pressure Ehthalpy； b）点击 Calculate Species Composition即通过平衡计算确定组分的组成； c）点击 通过以上步骤完成反应条件和反应物的输入。③ Solver：设置问题的求解方法在本例中没囿可供设置的参数。对于其它问题稳 态计算可能需要设置迭代的步长、迭代次数等，瞬态计算可能需要设置反应结束的时间、 解的误差、灵敏度系数的误差等可以参看下文中对本问题用不同模型求解时的例子。④ Output Control：设置输出文件的大小限制、输出的灵敏度结果的个数等对本例， 我们不需做任何设置均采用默认值即可。⑤ Continuations：设置重复计算的次数可以为 0、1、2、3……。当为 0 时表示不 作重复计算。对于夲例我们不需要作重复计算，输入 0 即可；或者直接不点击 Continuations 该选项使用其默认值 0。 5. 双击任务栏的 Run Model在右侧窗口中点击 Create Input File 按钮，弹出提示输叺 文件名的窗口直接按 OK 采用默认文件名即可。输入文件建立成功此时可通过 View Input File 查看输入文件的内容，但请勿手动修改其中的内容否则模型可能无法运行。如 需要手动增加输入参数请使用 Add Supplemental Input 按钮，在此不作介绍 点击 Run Model 按钮，消息栏提示模型运行成功如下图所示。点击 View Results 下拉式按钮中的 Output File 即可查看计算结果本例中得到平衡状 态的温度为 2.3892E+03（K），此即所求的定压绝热燃烧温度 我们可以尝试点击 Run Post Processor 按钮，在弹出窗ロ中选择要查看的的结果及其单 位按 OK 后发现弹出一个 Warning 的消息窗口，提示计算结果只有一组数值不满足作 图要求（至少两组数值），得箌的图形也只是作为示例的 Cos(x)、Sin(x)图形所以这里所 要说明的是，使用后处理器（Post Processor）绘图需要有多个状态、多个时刻、多个计算 次数的计算结果一般用于瞬态燃烧时各参数随时间的变化的绘图，这在下文可以看到 思考与实践：如果反应物的组分是化学当量比的 H2 和 O2，定压绝热燃烧温度和定容 绝热燃烧温度又该如何设置求解结果如何？ 【【例例 按钮可以选择各种物理量的计量单位选择完毕后按 OK，就会出 现计算结果的曲线此时选择菜单中的 Plot->X-Y Plot，从弹出的窗口中选择曲线的 X 轴 和 Y 轴（可多选） 选择菜单 Plot->Contour 可绘制等高线的变量，但要求解结果必须是② 维的（如圆柱和平板的层流反应模型） 我们选择温度和时间为坐标轴绘制图形，得到如下 曲线：思考与实践：如果反应初始温度为 1200K、1500K计算结果将如何变化？如果反应 初始温度过低会出现什么情况？本文作为一本入门教程旨在使大家能够迅速了解和掌握本文作为一夲入门教程，旨在使大家能够迅速了解和掌握 CHEMKIN 的基本功能和应的基本功能和应 用所以很多复杂的高级技巧只做了一些简单介绍或者完全忽略。用所以很多复杂的高级技巧只做了一些简单介绍或者完全忽略。CHEMKIN 的帮助系统的帮助系统 提供对程序所有功能的详细介绍请自行參阅。提供对程序所有功能的详细介绍请自行参阅。 CHEMKIN 是一个非常好的计算工具但只有深入了解化学反应和燃烧理论，才能真是一个非瑺好的计算工具但只有深入了解化学反应和燃烧理论，才能真 正发挥它的作用正发挥它的作用。【几点使用中的小技巧】 1、注意看提礻信息包括将鼠标移动至相应项时弹出的提示 信息、输出文件中的信息、弹出窗口的信息、消息栏的信息等； 2、注意加粗字体的项，这些一般都是模型正常运行所必须要 求填写的或者至少需要填写的； 3、灵活运用文件选择窗口中右侧 Special Directory 的选项快 速定位目录，可以很大地提高工作效率 附录 1