CHEMKIN4.0.1入门指南

1CHEMKIN入门指南《燃烧学》辅助教程上篇基础知识、核心程序、化学平衡（EQUIL）、全混反应（AURORA）如果文中有任何错误，请不吝指出，以便不断改进2004.32第一章CHEMKIN简介本章介绍CHEMKIN的主要功能和求解过程。第一节安装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3.7.1。由于学习和科研需要，我们花费2000$向ReactionDesign公司订购了一套最新版本的CHEMKIN3.7.1，其中包括20个网络教学许可证，用于《燃烧学》课程的学习。[安装]请从@166.111.56.202的“CHEMKIN软件”目录内下载安装程序chemkin371_pc_setup.exe，执行安装程序。安装完后会自动在桌面及开始菜单建立快捷方式。[运行许可证书]教学用的CHEMKIN采用网络认证，故电脑必须联网（校内）。当程序计算（Run）时，系统会提示选择license，选择“Specifylicenseserver”，然后next，在下一画面填入“166.111.56.202”即可。第二节CHEMKIN介绍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包括“核心程序(CoreUtilities)”和“应用程序(Application)”两级程序包。以气相反应、表面反应、传递过程这三个核心软件包为基础，CHEMKIN提供了对12种常见化学过程模拟的软件包及后处理程序。一般求解过程如图1.1所示。CHEMKIN的三个核心程序模块：1)气相动力学（Gas-PhaseKinetics）：是所有程序计算的基础，提供气相成分组成、热力学数据、化学反应等信息。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已定义。图1.1计算过程Gas-PhaseInputThermodynamicDataGas-PhaseKineticPre-processorGas-PhaseKineticLinkFileSurfaceInputSurfaceKineticPre-processorSurfaceKineticLinkFileSurfaceKineticPre-processorSurfaceKineticLinkFileGas-PhaseKineticLibraryGas-PhaseKineticLibraryGas-PhaseKineticLibraryTransportDataApplicationApplicationInputXMLdata.zipPost-ProcessGas-PhaseOutputSurfaceOutputTransportOutputApplicationOutput3Gas-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自带的应用程序。CHEMKIN提供了12个典型的应用程序(Application)，它们的名字和描述如表1.1，其简图见图1.2：AURORA模拟稳态及瞬态的充分混合反应器网络，包括等离子体反应器。CRESLAF模拟圆管或平板边界层流动中的层流化学反应。EQUIL计算化学平衡和相平衡。OPPDIF模拟对冲扩散火焰。OVEND模拟多层的低压化学气相沉积(LPCVD)反应器PASR模拟部分搅拌反应器中的混合和动力学PLUG模拟柱塞流反应器PREMIX模拟稳态、层流、一维的预混火焰SHOCK模拟入射和反射激波的化学动力学SPIN模拟用于化学气相沉淀的一维转盘流或滞流反应器SURFTHERM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。TWAFER求解多层的低压化学气相淀积(LPCVD)反应器的温度第三节CHEMKIN求解过程及用户操作步骤CHEMKIN通常的求解过程如下：1.GasPhaseKinetics（气相动力学）的处理GasPhaseKinetics的前处理器(Pre-processor)读取用户编写的输入文件和自带的热力学数据库，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-PhaseKinetcs提供了处理这一文件的一个Fortran子程序库，供其他程序调用。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。AURORACRESLAFEQUILOPPDIFOVENDPASRPLUGPREMIXSHOCKSPINSURFTHERMTWAFER图1.2应用程序简图4SurfaceKinetics的前处理器读取用户编写的输入文件，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.Application（应用程序）求解根据问题需要，应用程序读取输入文件确定求解过程，调用Gas-PhaseKinetics、SurfaceKinetics、Transport各自的子程序库内相应的子程序来读取反应信息，然后进行计算。CHEMKIN自带的12种应用程序中，每一种都有自己的前处理器，并对应不同格式的输入文件。程序计算结束后，会生成一动态连接文件供后处理。4.Post-Process（后处理）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。用户操作的一般步骤如下：1.决定问题的性质，选择适当的应用程序通常情况下，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12个应用程序里，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应用程序可以很好的解决你的问题，或者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。2.编写核心程序输入文件编写Gas-PhaseKinetic的输入文件，在其中定义元素、组分、化学反应等；编写SurfaceKinetic的输入文件（如果问题需要），在其中定义表面的性质和反应等。Transport不需要编写输入文件，该程序只处理CHEMKIN自带的一个传递数据库(tran.dat)。3.编写应用程序输入文件按照应用程序要求的格式，定义反应条件、反应过程、求解方法等。4.求解&后处理点击用户界面的“Run”按钮执行程序计算；点击用户界面的“Restart”按钮以上次计算结果为初始条件重新计算（在有些情况下会用到）；点击用户界面的“Post-Process”按钮调用CHEMKIN后处理器第四节后处理器的使用CHEMKIN的计算结果可以从其生成的文本输出文件中查看。CHEMKIN为所有的应用程序提供了一个统一的后处理程序（Post-Processor），可以方便的将计算结果绘制成曲线。点击程序界面右下端的按钮“Post-Process”启动后处理器，默认情况下会读取工作目录下的XMLdata.zip文件中的数据，启动之后用户还可以添加其他解文件的数据。在弹出的选项卡中，“SolutionSet”选项卡内选择要绘制成曲线的解系列，因为有些应用程序的结果中会出现多个解系列（如CRESLAF）。“Species/Variables”选项卡内选择要绘制成曲线的变量或组分，第一列（Row）列出解文件中所有变量名，第二列（SpeciesVar）为变量值，第三列（Rxnsens）为该变量的误差（有的应用程序后处理时无此列），第四列（RatesofProd）为该变量的产生率。进入绘图界面后，选择菜单Plot-X-Yplot，从弹出的选项卡中选择曲线的X轴和Y轴（可多选）。选择菜单Plot-Contour，选择要绘制等高线的变量，但要求解结果必须是二维5的（如CRESLAF）。说明：本文作为一本入门教程，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，才能真正发挥它的作用。第二章核心程序（CoreUtility）本章介绍Gas-PhaseKinetics,SurfaceKinetics,Transport这三个核心程序包，它们是应用程序计算统一的平台。第一节Gas-PhaseKinetics(气相动力学)气相反应动力学是所有CHEMKIN计算的基础。Gas-PhaseKinetics软件包包括一个前处理器（Pre-Processor），一个热力学数据库（Thermo.dat）和超过150个子程序的程序库。其处理过程参见图1.1：首先，前处理器读取用户编写的输入文件（默认为chem.inp），然后从热力学数据库（Therm.dat）获取在输入文件中定义了的组份的热力学数据；之后生成包含元素、组份、反应的各种信息的连接文件（chem.asc）。应用程序可以通过调用其子程序库来读取该连接文件中的信息。同时，前处理器还会生成一个文本文件（chem.out），里面为元素、组分和反应的列表；如果输入文件有错误，错误信息也会出现在chem.out中；该文件可以在CHEMKIN程序界面里打开并查看。介绍Gas-PhaseKinetics输入文件之前，先介绍CHEMKIN格式的输入文件的一些通用规则：1.注释符号“！”。符号“！”无论出现在一行的任何位置，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列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）。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，分别为元素、组份、热力学数据、化学反应，如例2.1所示：!例2.1ELEMENTSHOEND!元素定义SPECIESH2HO2OOHH2OEND!组分定义THERMO!热力学数据(本例中只定义了“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-07-0.08431442E-110.03606781E+050.13588605E+0