CHEMKIN 401入门指南-燃烧学辅助教程.doc

CHEMKIN 4.0.1入门指南燃烧学1辅助教程CHEMKIN 4.0.1入门指南1第一章 安装和简介31.1 安装31.2 简介3第二章 简单使用入门42.1 用户界面42.2 求解过程52.2.1 Gas Phase Kinetics（气相动力学）的处理52.2.2 Surface Kinetics（表面动力学）和Transport（传递过程）的处理62.2.3 反应模型求解62.2.4 后处理（Post-Process）6第三章 用户操作步骤63.1 例1定压绝热燃烧63.1.1 运行CHEMKIN63.1.2 选择反应模型63.1.3 前处理73.1.4 边界条件113.1.5 运行计算123.2 例2全混燃烧器中的绝热燃烧123.2.1 运行PSR123.2.2 前处理133.2.3 对Cluster1中的设置133.2.4 运行计算14第一章 安装和简介1.1 安装Chemkin最早的版本始于1980，由美国Sandia实验室的Kee RJ等人编写，经过多年的不断发展日趋完善。后来由Reaction Design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CHEMKIN 4.0.1，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ftp:/combustion:combustion55 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1024768的分辨率，否则某些界面将无法完全显示。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-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。用户可以自己编写程序调用它们来实现指定的功能，CHEMKIN3.7版本有多种针对不同模型的应用程序，包括AURORA、CRESLAF、EQUIL、OPPDIF、PASR、PLUG、PREMIX、SHOCK、SPIN、SURFTHERM、OVEND、TWAFER12个应用程序，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）、化学平衡相平衡（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）、用来确定多晶片低压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 input file）、表面反应输入文件（surface chemistry input file）和程序应用输入文件（application input file）。输入文件默认为采用文本文档的形式给出，其中气相输入文件（gas chemistry input file）中指定了反应中元素组成、组分组成、各组分热力学参数、包括基元反应式、Arrhenius 系数（pre-exponential factor、temperature exponent 和activation energy）的反应机理；而程序应用输入文件（application input 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、初始条件以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（气相动力学）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连接文件。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，生成包含表面反应信息的Surface Kinetics连接文件，Surface Kinetics提供子程序库处理该连接文件。Transport的前处理器根据Gas-phase Kinetics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。2.2.3 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。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行分析和绘图。第三章 用户操作步骤下面结合实际例子介绍用户操作的步骤。3.1 例1定压绝热燃烧【例1】计算化学当量的H2与空气的定压绝热燃烧温度。3.1.1 运行CHEMKIN1运行CHEMKIN，点击菜单Project-New，输入项目名称，这里我们定为H2-air。3.1.2 选择反应模型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Chemical and Phase Equilibrium Calculation模型。点击任务栏中的model选项卡，点击Chemical and Phase Equilibrium Calculation图标，此时在窗口栏的Diagram View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。3.1.3 前处理3此时左侧任务栏会自动切换至Open Projects选项卡，双击Pre-Processing，窗口栏出现Pre-Processing的参数窗口。在窗口中的Working Dir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New Chemistry Set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）进行平衡计算。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 ENDSPECIES O O2 H2 H OH HO2 H2O H2O2 N2 END保存文件后关闭编辑器，此时Pre-Processing窗口中的Gas-Phase Kinetics Files一项仍为空白，通过点击该项的浏览按钮选取刚才编辑的输入文件。然后需要在Thermodynamic Data File项中指定热力学数据库，点击该项的浏览按钮。在弹出的窗口中先点击右边的Special Directory中的System Data，然后点击左边出现的therm.dat，按select按钮完成热力学数据库的选择，如下页图所示。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 边界条件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： 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 Previous Solution或Initialization of Reactor from 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始进行计算，在此不介绍，有兴趣的可参考帮助文件。 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Temperature，输入298，单位K；d）点击Pressure， 输入1，单位atm；在组分组成的选项卡中：a）点击Reactant Fraction选项卡；b）Unit Selection选择mole fraction；c）Species下拉式按钮中依次选择和输入：H2，2，Add按钮；O2，1，Add按钮；N2，3.76，Add按钮。通过以上步骤完成反应条件和反应物的输入。 Solver：设置问题的求解方法。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。 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。 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，在右侧窗口中点击Create Input 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 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。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、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？3.2 例2全混燃烧器中的绝热燃烧【例2】计算化学当量比的H2和空气在全混燃烧器中的绝热燃烧过程3.2.1 运行PSR1. 建立新Project，选择Perfectly Stirred Reactor(PSR)全混反应器模型，Update Project。3.2.2 前处理2. Pre-Processing中设工作路径，点New Chemistry Set，输入气相动力学文件chem.inp如下ELEMENTS O H N ENDSPECIES O O2 H H2 OH HO2 H2O H2O2 N2 ENDREACTIONS H+O2 = O+OH 5.1E16 -0.82 16510 !MILLER 81 H2+O = H+OH 1.8E10 1.0 8830 !MILLER 77 H2+OH = H2O+H 1.2E09 1.3 3630 !DIXON-LEWIS 77 OH+OH = H2O+O 6.0E08 1.3 0.0 !COHEN 79 H+OH+M = H2O+M 7.5E23 -2.6 0.0 !MILLER 77 H2O /20.0/ O2+M = O+O+M 1.9E11 0.5 95560 !MILLER 81 H2+M = H+H+M 2.2E12 0.5 92600 !MILLER 77 H2O /6.0/ H /2.0/ H2 /3.0/ H2+O2 = OH+OH 1.7E13 0.0 47780 !MILLER 77 H+O2+M = HO2+M 2.1E18 -1.0 0.0 !SLACK 77 H2O /21.0/ H2 /3.3/ O2 /0.0/ N2 /0.0/ H+O2+O2 = HO2+O2 6.7E19 -1.42 0.0 !SLACK 77 H+O2+N2 = HO2+N2 6.7E19 -1.42 0.0 !SLACK 77 HO2+H = H2+O2 2.5E13 0.0 700 !LLOYD 74 HO2+H = OH+OH 2.5E14 0.0 1900 !LLOYD 74 HO2+O = OH+O2 4.8E13 0.0 1000 !LLOYD 74 HO2+OH = H2O+O2 5.0E13 0.0 1000 !LLOYD 74 HO2+HO2 = H2O2+O2 2.0E12 0.0 0.0 !TROE 69 H2O2+M = OH+OH+M 1.2E17 0.0 45500 !BAULCH 72 H2O2+H = HO2 + H2 1.7E12 0.0 3750 !BAULCH 72 H2O2+OH = H2O+HO2 1.0E13 0.0 1800 !BAULCH 72END选择热力学数据库文件，由于本问题不涉及表面反应，所以表面动力学文件和传递数据库文件位置仍然留空。Run Pre-Processor进行预处理。3.2.3 对Cluster1中的设置3. 对Cluster1中的设置如下： Cluster Properties：选择默认值Normal Start。 C1_R1 PSR：也包括Reactor Physical Property和Species-specific Data两个选项卡，但应注意这里的Species-specific Data是指反应器中预先充入的气体组分，而并不是反应物的组分，反应物的组分应在R1_IN1中设置，所以这里的Species-specific Data应留空。对Reactor Physical Property选项卡：a）Problem Type中选择Solve Gas Energy Equation，即通过求解气体能量方程获得生成物的温度；b）点击Transient Solve，因为是求解燃烧过程各参数随时间的变化情况；c）点击Temperature，输入1000，单位K，指反应初始的温度为1000K；d）点击Pressure， 输入1，单位atm； R1_IN1：包括Stream Property Data和Species-specific Property两个选项卡，设置入口物质的流量、温度以及反应物的组成。本例中，Stream Property Data留空，Species-specific Property可以通过以下两种方式的其中之一设置反应物的组成：a）不勾选Equivalence Ratio，在Reactant Fraction选择组分并输入数据H2，2；O2，1；N2，3.76；b）勾选Equivalence Ratio，输入数值1。在Fuel Fraction中输入H2，2；在Oxidizer Fraction中输入O2，1；N2，3.76；在Combustion Product中选择H2O，N2； Solver：在End Time中输入计算结束的时刻0.001sec； Output Control和Continuations均留空，不作设置3.2.4 运行计算4. 在Run Model中，依次点击Create Input File、Run Model按钮，提示运行成功，可点击View Results中的Output File查看计算结果，这里我们点击Run Post Processor（后处理器）进行绘图观察，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（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？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。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.exe。然后把carck文件夹中的chemkin.lic文件拷到安装目录下的licenses文件夹中。一、新算例设置的基本操作4、设定初始参数在cluster中，l properties选求解Gas Energy Equation，l C1表示反应器，在reactor physical properties中设置停留时间、温度、压力、体积、热损失等项。注意单位。表面项和传输项设置留待诸位研究设置方法。在species specific data 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。l R1表示入流。入流可以有多个，比如我的先进再燃就有5个入流，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。l 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。l 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。species sensitivity and rop中，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。l 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个以上的算例，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。l Run model前面都设好了，可以算了。Create input 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：可以玩玩plot，换X，Y轴来欣赏一下。不过建议在file里选export plot，第二项，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。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，如何消耗的，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：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下，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：l .lic文件没有拷到正确位置。l 机理中有错误。参考View Results给出的结果，看Error行的指示。有时可能是细小错误，如把O