计算机在热分析动力学参数计算中的应用(胡老师软件介绍)_图文

1、收稿日期:2002-12-23。本课题是陕西省科技发展计划项目(编号:00K 07-G 15。赵宏安,助研,主研领域:计算机应用,计算机控制,软件开发。计算机在热分析动力学参数计算中的应用赵宏安耿国华(西北大学可视化技术研究所西安710069摘要本文给出了用于化学、化工等量热过程中的热分析动力学参数计算专业的关键技术。为方便最可几机理函数的推断,特别提出并引入了可信因子排序概念。这个Windows 环境下的应用系统集原始数据输入与编辑、曲线拟合与修正、多种热动力学模型下的参数计算、标准函数图谱放样、数据处理结果打印、曲线图生成打印等功能为一体,已应用于热分析动力学参数计算过程,效果良好。关键词

2、热动力学应用程序动力学参数计算可信因子热分析THE APP LICA TION OF COMPUTER IN CA LCU LA TION OF THER MA L AN A LYSIS KINETICS PAR AMETER SZhao H ongan G eng G uohua(Institute o f Visualization Technology ,Northwest University ,Xi an 710069Abstract A Windows application system used to calculate the thermal analysis kinetic

3、 parameters was described.A new conception of believable factor used to conclude the probable kinetic m odel function from forty 2one types of kinetic m odel functions was presented.The application s oft integrat 2ed m odules of inputting and editing original data ,fitting and m odifying of curve ,c

4、alculating kinetic parameters using forty 2one types of kinetic m odel functions ,lofting with standard function atlas and printing results.K eyw ords Windows application of kinetics Calculation of kinetic parameters Believable factor Thermal analysis1引言热分解反应过程的分析判断、材料相容性的评定、有效寿命和最佳生产工艺条件的确定、反应过程速度的

5、定量描述和机理的推断、石油和含能材料等易燃易爆物质的危险性评估以及自发火温度、热爆临界温度的计算和燃烧初始阶段的定量描述等均需材料体系的热分析动力学参数分析,急需提供进行热分析动力学参数计算的量化工具。我们在微机Windows 操作系统上,以Visual C+ 6.0为开发环境,研制开发了一个热分析动力学参数计算系统。该系统是依据我国热化学动力学专家胡荣组先生等所著的热分析动力学一书中提出的热力学计算概念编制的,它是计算机技术与热分析动力学的结合,系统功能实用,技术先进,用于化学、化工等热分析动力学参数的计算,经使用效果良好。极大地方便了热动力学参数的计算及最可几机理函数的推断。 2系统的主要

6、功能该系统集原始数据输入与编辑、曲线拟合与修正、多种热动力学模型下的参数计算、标准函数图谱放样、数据处理结果打印、曲线图生成打印等功能为一体,系统主界面设计为上下两个视窗:列表视窗便于列表显示计算结果,图形视窗则用于拟合曲线绘制,为观察、对照各动力学机理函数的拟合曲线及结果提供有效的支持。我们利用视窗切分技术在同一个主框图1动力学参数计算系统主框架架内将视窗切分成三部分:下方为主视图,用于显示文档数据曲线图及打印预览;右上方为列表视图,用于计算结果列表显示,结果对照;左上方为选项对话框,用于人机交互式选择、指定观察特定函数曲线、计算、拟合和原始数据曲线的光滑处理等。上、下视图只需用鼠标拖动就可

7、随意调整视图大小,为观察曲线与分析结果提供方便。热分析动力学参数计算系统的31主框架如图1(a 、 (b 所示。在热力学参数计算系统中,我们设置了用于选择动力学计算模型的下拉式动力学计算菜单;热分析动力学实验数据输入对话框的启动菜单,数据录入;曲线校正方式选择菜单;修正曲线。针对动力学参数计算模型种类繁多,所需原始数据类型不同的情况,我们设计了一种较为灵活机动的实验数据录入对话框,如图2所示。 图2实验数据录入对话框对话框中的温度类型选择按扭用于定义实验数据输入编辑列表框中的温度数据类型,实现输入的温度参数在峰值T pi 任意温度T i 之间识别,当指定输入的温度参数是DSC 曲线上的峰值温度

8、T pi 时,适用于Flynn 2Wall 2Ozawa 法。 为了便于操作者进行温度单位转换,在对话框中设置了温度单位选择按钮,用于依照按钮指定的温度单位处理温度参数。数据输入对话框中设置的速度参数选择按钮,用于定义反应深度数据栏的数据是属于何种数据源,如,d /d 、dH/dt ,d /dt 或反应经历的时间参数。为便于对热分析仪器输出(如TG 的数据类型提供由反应过程中的余量到热分析动力学计算过程中需要的是已反应分数的格式转化,设置了与TG 数据类型有关的按钮及文本编辑控件:用于指定反应分数栏的数据为了TG 数据类型选择按键TG 数据;用于计算反应分数的初始参数mass0%、L mass

9、 %。本系统中,数据输入采用多行文本编辑框,利于成组数据的连续输入、插入、增加、删除、修改等多种数据编辑。方便灵活的数据编辑手段让我们能够轻松创建最大到200个数据点。 3系统的主要构成热分析动力学参数计算过程框图如图3所示。曲线拟合过程框图如图4所示。标准曲线放样:根据Maklek 提出的方法,将人为数据i 代入公式y (i =f (i G (i /f(015/G (015得y (i ,其中i =1,2,.,n 。由y (i -i 绘制一簇标准曲线。将实验数据:i ,T i ,(d i /dt ,其中i =1,2,.,n ,代入公式y (i =(T i /T 01523(d i /dt /(

10、d/dt 015由y (i -i 绘制实验曲线。将试验曲线与标准曲线放样对照,即可找出最可几的动力学机理函数。如图5所示。为方便观察放样对照,系统设计了点击高亮选择方式。当点击高亮选择上图中的某条标准曲线旁的数字时,该曲线以高亮度形式显示。图3热动力学参数计算过程框图图4曲线拟合框图图5“y (-”曲线图为仔细观察放样结果,系统设计了一种由单一标准曲线同实验曲线对照的显示方式,只需改变选择函数号,就可更换显示不同的机理函数的标准曲线。如图6所示。图6“y (-”曲线图+试验曲线对照图4系统的特点系统集成了数据录入、编辑、实验曲线光滑;动力学参数计算、曲线拟合、列表显示,曲线图形显示等。系统采用

11、50余种热分析动力学数学模型进行计算。系统操作方便,易掌握,计算结果以列表形式显示,且在同一列表内可显示多个热分析动力学模型的计算结果,便于计算结果对照分析,采用多种热分析动力学数学模型下的实验曲线拟合,以曲线图形的方式呈显出来,使得对计算结果的分析、判断更直观,可信。另外,为了(下转第39页41genii和sys f77转成C后,需要重新编译链接生成libgenii.a和libsys f77.a。编译pisc2h目录下的所有C程序,注意最后链接要加上-1f2c,得到可执行程序PISCES。315调试生成了可执行文件后,开始进入调试阶段。在调试过程中,发现的大部分问题都是因为F ortran对

12、局部变量赋了初值,而C语言不会这样,如assmb函数中idum和huniq函数中的iptr。在C语言版本的源程序中,加上将它们赋初值0的语句后就可以了,还有如bern f函数中if(!(3lplug3dgs=(1-3dpsi-3gs3tmp;如果3lplug为0,3dgs作为输出就没有赋值分支了,加上分支变成为if(!(3lplug3dgs=(1-3dpsi-3gs3tmp;else3dgs=0;还有一些其它的错误,但基本上都可以通过研究F ortran和C的差别找到原因。316移植将转化成C语言的PISCES移植到Windows系统很简单,只要安装cyg win(它是一个Windows系统下

13、模拟UNIX环境的软件,再对makefile做一定修改就可以了。例如在libF77目录下的makefile中arith.h:arithchk.cS(CCS(CF LAG S-DNO FPI NIT arithchk.c|S(CC-DNO LONG LONGS(CF LAG S-DNO FPI NIT arithchk.c ./a.outarith.hrm-f a.out arithchk.o由于在Windows系统下生成的是a.exe,所以要将a.out改成a.exe。从这一点可以看到将PISCES源程序转化成C语言的一个好处。4进一步的工作展望对数据结构进行改进,由于存在很多全局变量,而变量

14、名称并不是很直观,所以给阅读源程序带来一定的困难,因此需要将这些分散的变量按一定的逻辑关系组合到一起,如struct elementinteger nop3;/3元中三格点的号3/real jhjd3;/3用于连续方程的偶合系数3/real es3;/3面积单位3/integer imat;/3单元区域号3/integer nextel3;/3下一单元3/integer nbndpi2,mpbndp;real tsides3;/3三个边长3/real cejx3,cejy3,cxperp3,cyperp3,redep3,ehed 3;/3用于泊松方程的耦合系数ctg3eps o3/ehedu3

15、;/3ctg3/数据结构element中每一个字段对应着源程序中一个M AXE LE ME NT(最大有限元个数维数相同类型的数组。使用这个结构体最大的好处在于,我们可以在运行时决定有限元个数,从而动态分配内存,而在源程序中都是实现定好了数组的维数。另外,采用这种数据结构可以增加源程序的可读性,便于引入新的函数库。虽然我们已经借助f2c来完成由F ortran转换到C的工作,但还需要我们来做不少后期的工作,包括总结以上这种数据结构,改变源程序中引用这些变量的代码,增加动态分配内存的机制。5总结利用f2c工具,在较短时间内成功地将二维器件模拟程序PISCES由F ortran转换成C,并完成编译

16、链接,得到C语言版本的执行程序,经过测试验证,所有功能运行正确。软件是否进行程序转换工作和如何转换是因“人”而异的,但是,只要把握住你的目标,尽早制定工作计划和方案就可以取得较好的效果。参考文献1PISCES T w o2Dimensional Device S imulation Program Users M anual.2f77和f2c的帮助文件。(上接第14页从41个微、积分机理函数中找出最可几的机理函数,特别提出并引入了可信因子排序概念:依据41个函数的线性相关系数r 与误差Q,按可信因子=(1-r3Q的大小进行排序,利用该方式可方便、快速、准确地从众多热动力学机理函数中判断出最可几热动力学机理函数。该系统适用于个人电脑,对微机配置的要求较低,系统动力学参数计算结果经与文献数据对照,基本吻合,适用于DSC、TG曲线的数据处理,计算动力学参数(活化能E与指前因子A及推断最可机理函数。该系统既能以文本方式显示计算结果,又可以输出曲线拟合结果。以所见即所得的形式打印输出。5结论本文提出的可信因子排序概念,经实用验证对于快速、准确推断最可几机理函数行之有效。研制开发的热分析动力学参数计算系统,将计算机技术与化学热动力学结合在一起,依据我国热化学动力学专家胡荣组先生等