CHEMKIN基础培训资料PPT课件

1、.,1,CHENKIN基础培训,2008.9.21 14:00 16:00,.,2,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,3,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 全球有: 东京办事外; 日本代理商: Ryoka 系统 韩国代理商: Kyungwon Tech, Inc. 中国代理商: SinoFlow, Inc.（中流汉泰）,.,4,产品和服务源自核心技术,CHEMKIN是化学仿真过程的

2、一个完整反应模型系统 KINetics 是一个可将CHEMKIN与三维软件特别是CFD软件相耦合的插件解算器模块,.,5,研究项目,生物质燃烧的化学及传质现象 喷气燃料的燃料机理 汽轮机燃烧室中烟灰的生成,.,6,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,7,CHEMKIN应用于工程问题,设计方向 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 反应器优化和改进 工况运行条件变化的影响

3、 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 模型假设和验证 化学机理的发展与简化 实验结果的预测,.,8,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 计算结果容易分析和解释 内置的数据可视化 数据管理的敏感性分析,.,9,CHEMKIN的发展历程,CHEMICAL KINETICS 从1980年开始，美国Sandia国家实验室开发并推出了CHEMKIN系列大型气相化学反应动力学软件包,.,10,CHEM

4、KIN-I,CHEMKIN-I CHEMIKN-I是由Sandia国家实验室Kee R.J.等人于1980年开发的用于解决燃烧过程中的气相化学反应动力学问题的软件包 CHEMKIN不是一个应用软件，它只是一个子程序库，目的在于为解决带有流动的燃烧过程中的化学问题提供一个计算工具,.,11,CHEMKIN-I的缺点,CHEMKIN-I的缺点是其源程序代码中对字符串常量使用了Fortran66标准的Hollerith码进行处理，这与目前使用的大多数Fortran编译器不相容，因此已很少使用,.,12,CHEMKIN-II,CHEMKIN-II是Sandia实验室1989年推出的CHEMKIN的改进

5、版 其中一个重要的改进是增加了能够高效精确处理依赖压力的基元反应的功能,.,13,CHEMKIN-II,对衰退反应的处理增强了CHEMKIN-II的功能，使之能更真实地反映一些化合反应和含有增强第三体(enhanced third-body)反应的进程 除以上改进外，CHEMKIN-II加强了描述化学反应的灵活性，如可同时给出正反两个方向的基元反应动力学参数，允许反应形式相同但动力学参数不同的反应同时出现，可使用Landau-Teller 的速率表达式等，这些处理极大地增强了CHEMKIN-II的应用能力,.,14,CHEMKIN-II,CHEMKIN-II源程序代码完全依照Fortran-7

6、7标准编写 在子程序库中删除了CHEMKIN-I中不常用的子程序，增加了对初始输入条件的读写命令 这些改进使得CHEMKIN-II软件包结构化更好，可靠性提高，具有不依赖于计算机类型和Fortran编译器的特点(即可移植性好),.,15,CHEMKIN-III,CHEMKIN-III是1996年推出的程序包 主要增加了两个新的功能 第一个新功能是可以处理非平衡体系中的多相流动系统(multi-fluid system)，该系统中可能有一种或几种物质的能量和动量方程不同于其它物质混合物的能量和动量方程，这类物质主要包括电子和等离子体，它们有着不同于其它物质的温度，其动量方程也要考虑到带电荷物质产

7、生的电场所施加的力的影响,.,16,CHEMKIN-III,第二个新功能是增加了处理总包反应(global reaction) 动力学的能力，这些反应中物质的计量系数可不为整数，而是由经验确定的任一实数，这对于无法用详细基元反应动力学研究的燃烧问题十分有用，如具有复杂化学组分的实际燃料的燃烧过程,.,17,CHEMKIN-III,第一个商业版本 总包反应速率 非整数的化学计量系数 可操作界面 非平衡的多相流问题 应用程序：AURORA, CRESLAF, EQUIL, OPPDIF, PASR, PLUG, PREMIX,SHOCK, SPIN, SURFTHERM etc,.,18,应用程序

8、说明,AURORA：模拟充分搅拌反应器 CRESLAF：圆柱形或平面形通道内的层流化学反应 EQUIL：化学平衡相平衡 OPPDIF：对流扩散火焰 PASR：部分搅拌反应器 PLUG：柱塞流反应器 PREMIX：一维稳态层流预混火焰,.,19,应用程序说明,SHOCK：冲击波化学动力学 SPIN：化学气相沉积滞留反应器 SURFTHERM：气相和表面化学系统的热化学传质及动力学 OVEND：多晶片低压化学沉淀反应器 TWAFER：用来确定多晶片低压化学沉淀反应中的温度,.,20,AURORA,模拟稳流或瞬态反应（包括等离子反应）的气体反应或表面反应 可用来预报充分搅拌反应器中的随时间变化的或者

9、是稳态的参数；可用于包含表面化学反应的系统，如化学蒸发、沉淀或催化过程；还可以模拟非热力、等离子反应器，用来确定离子和电子浓度以及电子温度及中性粒子浓度；可以建立反应器网络，使之形成模拟反应器系统或者反应流动系统。,.,21,CRESLAF,模拟圆柱形或平面通道中的层流、边界层流动的化学反应 用来预报平面或者轴对称二维流道中的速度、温度及组分分布；应用包括化学蒸发沉淀反应器不同催化剂在反应器壁面上催化作用及碰撞过程；用于有限速率气相和表面化学反应动力学及分子传质,.,22,EQUIL,模拟计算化学平衡和相平衡 用来计算理想气体或混合气体的化学平衡状态 可单独应用，也可作为其他chemkin 应

10、用程序的子程序,.,23,OPPDIF,模拟对流扩散火焰 用于计算两个反向布置喷嘴间的扩散火焰；对于轴对称流动或者二维平面流动的情况可类似转化流场，使之成为一个一维问题；对放射状轴对称情况，类似的解决方案是假设速度的径向分量是沿着半径呈线性的，这样变量就成为仅仅是轴向距离的函数；对于平面流动情况，假设垂直于对流轴的y 方向上的速度与y 方向距离成正比，这样要确定的变量就仅仅是x 轴向距离的函数。可用来求解温度、质量分数、轴向和垂直方向速度分量及纵向压力梯度。,.,24,PASR,模拟部分搅拌反应器中混合过程和气相化学动力学的交互作用。,.,25,PLUG,模拟带有气相和化学表面化学反应的柱塞流

11、反应器 可用来模拟任意几何形状的流道中理想气体混合物非扩散、一维流动化学反应；其几何形状的灵活性使得它既可以模拟填充床反应器也可以模拟与流动相关的表面化学反应或传热随距离变化的通道。,.,26,PREMIX,模拟一维、稳态、层流预混火焰 用来计算稳态、稳燃、自由传播层流预混火焰的组分和温度分布；还可以用来确定可燃气体混合物的层流火焰速度，研究可燃性；可以解决有限速率化学反应动力学和多组分分子扩散；可以和气相动力学以及传质预处理器联合处理化学反应机理，计算传质参数,.,27,SHOCK,模拟冲击波的化学动力学 预报反应气体混合物在冲击波放热后的化学反应；可用来掌握冲击波，使得实际气体行为、边界层

12、影响以及详细有限速率化学反应定量化；结合冲击波实验对其模拟有助于解释实验结果和理解化学动力学行为,.,28,SPIN,模拟化学蒸发沉淀或者滞留反应器 用来计算一维、稳态化学蒸发沉淀反应器或滞留反应器中的组分、温度和速度分布以及沉淀速率,.,29,OVEND,模拟多晶片低压化学沉淀（LPCVD）反应器,.,30,TWAFER,确定多晶片低压化学沉淀（LPCVD）反应器的温度 预报的是二维温度分布；通常和OVEND 一起使用,.,31,SURFTHERM,分析气相和表面化学反应系统中的热力学、传质和动力学数据 分析复杂气相和表面化学反应装置中的传质系数、热化学速率以及动力学,.,32,CHEMKI

13、N 3.7,徽标,Start界面,.,33,CHEMKIN 3.7,.,34,CHEMKIN 3.7的后处理,.,35,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,.,36,CHEMKIN 4.x,徽标,Start界面,.,37,Model of CHEMKIN 4.x,.,38,模型与应用程序的对照,.,39,模型与应用程序的对照,.,40,模型与应用程序的对照,.,41,CHEMKIN 4.1,全新的后处理功能 项目图形化 全新的参数研究功能 颗粒追踪模块,.,42,CHEMKIN 4.1的后处理,.,43,CHEMKIN-PRO,2008

14、年4月发布测试版本,.,44,CHEMKIN-PRO的改进,64-bit Windows （Vista 和 XP） 计算速率提高 内燃机的多区模型 反应路径分析 颗粒追踪模块,.,45,简单模型的快速计算,相对于CHEMKIN-II,.,46,复杂模型的快速计算,.,47,多区模型,了解燃烧室内不同区域处CO和HC如何生成 圆柱内条件如何影响着火 准确模拟污染物排放,中心高温区，着火,近壁面低温区 （CO和烟灰生成区）,.,48,反应路径分析,机理简化的有效工具 图形化研究反应机理的瓶颈 识别主要物质和反应 查看潜在的化学机理 可以与敏感性分析联用 适用所有反应器,.,49,主要内容,Reac

15、tion Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,50,可使用的版本,CHEMKIN 3.7 CHEMKIN 4.0 CHEMKIN 4.1,J524 曙光服务器 20 net seat的教学版本,J532 1 license 的正式版,.,51,3.7版本的安装,/pub/0-CFD资料/CHEMKIN 运行chemkin37_pc_setup.exe进行安装。 chemkin.lic copy to c:Program FilesReactionlicens

16、eschemkin.lic.,.,52,4.0版本的安装,/pub/0-CFD资料/CHEMKIN 解压缩-安装 /crack/chemkin.lic需复制到安装目录/licences/下,.,53,4.1版本的安装,/pub/0-CFD资料/CHEMKIN。 运行chemkin41_pc_setup.exe进行安装。 License的处理 打开防火墙的两个端口：例外添加端口 reaction design license server port 28850/28851 License toolsmanage reaction design license中的path to license:2

17、8850ip,.,54,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,55,探究用户界面,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 打开 开始手册 为“线性沉积率”设置缺省单位为 “microns/min”,.,56,介绍图形界面,注意: 打开反应器 要求一个 输入 和一个 输出,Good,

18、Bad,.,57,研究图像选项,创建一个新方案 创建一个PSRs与一个或多个输入的网 在末端处添加一个管流反应 更新方案 试验在参数项间连线 在 PSRs间增加热流并再次更新 打开前处理面板 为化学设置选择 grimech30.cks 文件 (复制系统数据的化学设置,.,58,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设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,.,59,反应输入面板,只需要填入必须的信息; 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

19、用了“关键词”,可以局部地选择每个输入的单位,.,60,输入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,.,61,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数; 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 1,按氧化剂混合物定义氧化剂的分数,它们的和必须等于1.0,平衡率控制燃料和氧化剂的相对量,.,62,平衡率定义,例如: CH4作为 燃料, O2 作为氧化剂 CH4完全燃烧的平恒方程: 方程给出了CH4:O2的化学当量比 (1:2) 平衡率与下面的有关:,Reactant Fractions,有平衡率选项,内在的执行

20、这些计算,.,63,求解面板: 通常可以设成缺省,调整相对和绝对残差能够改进收敛性,在输入手册中详细地描述了高级选项,.,64,继续和新的运行选项,继续选项 稳态:某个计算结果可以用于另一个初始设定 瞬态: 从上一个求解结果开始新的计算 包括 distance-marching 模块 (PFR, 剪切流反应器) 新的运行选项 开始运行每个符合要求的 参数研究方法(pamameter study),即在同一个模型中设置不同的变量,并且同时处理,.,65,继续 / 新的运行面板,为每一个继续(或新运行)通过指定新的参数值给运行增加 “案例”,选择继续或新的运行选项,.,66,输出控制面板,敏感性分

21、析选项,着火延迟定义选项,.,67,运行面板,补充输入, 如元素, 可以增加到输入文件中,在运行前为反应模型创建一个“关键词”输入文件,当前正在运行程序; 同时显示一个监视器项面板,当运行完全, 弹出图像后处理程序,指定文件名称,.,68,存档选项,Archive生成一个与方案相关的压缩文件,含输入和输出文件 容易将方案总体转移 创建与以前有关的工作存档文件 将方案发给同事 unarchive 允许你在一个新的工作目录下再生一个方案设置 不依赖原始文件路径 便于 RD 技术支持,.,69,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户

22、界面 CHEMKIN化学设置 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,70,一个“化学设置”由描述体系的两个或更多的文件构成,热力学数据文件 (必需) 适合于热力学参数的多项式系数 适用于许多反应物的预包装数据 气相化学文件 (必需) 元素、 气相反应物、气相反应 对于用户感兴趣的问题必需聚集或获得 输运特性文件 (有时必需) 适合于气相反应物的基本分子参数 适用于许多反应物的预包装数据 表面化学文件 (可选) 表面状态、点反应物、固体反应物、表面反应 对于用户感兴趣的问题必需聚集或取得,.,71,热力学数据,数据是适应于温度的求解反应物特定热、焓和熵的多项式系数 输

23、入是固定的格式(相关 NASA 平衡代码) 允许灵活使用许多新扩充的 热力学数据包括反应物的元素成分 在反应机理文件中用户可以随意地包含反应物热力学数据,.,72,热力学数据输入的例子,.,73,气相反应机理例子,ELEMENTS H O N END SPECIES H2 H O2 O OH HO2 H2O2 H2O N N2 NO END REACTIONS H2+O2=2OH 0.170E+14 0.00 47780 OH+H2=H2O+H 0.117E+10 1.30 3626 ! D-L&W O+OH=O2+H 0.400E+15 -0.50 0 ! JAM 1986 O+H2=OH+

24、H 0.506E+05 2.67 6290 ! KLEMM,ET AL H+O2+M=HO2+M 0.361E+18 -0.72 0 ! DIXON-LEWIS H2O/18.6/ H2/2.86/ N2/1.26/ OH+HO2=H2O+O2 0.750E+13 0.00 0 ! D-L H+HO2=2OH 0.140E+15 0.00 1073 ! D-L O+HO2=O2+OH 0.140E+14 0.00 1073 ! D-L 2OH=O+H2O 0.600E+09 1.30 0 ! COHEN-WEST. END,H2/空气火焰 3 种元素 11 种反应物 23 个反应,反应物名字必

25、须包含在热力学数据中,.,74,反应速率常数假定Arrhenius 表达式,修正的Arrhenius 表达式有三个参数: E的单位是 calories/mole (缺省) 为全部或一个反应指定其他选项: kcal/mole, Joule/mole, Kelvin, or eV (电子伏特),.,75,反应速率常数假定Arrhenius 表达式,A的单位依赖于反应的类型 单位必须是 mole/cm3-s 依赖于 单位 输入单位可以是 (moles,cm,s) (缺省) 或 (molecules, cm, s),.,76,可逆反应逆反应速率系数,详细平衡的方法 平衡常数源自于反应物的热力学参数:

26、用户可以不考虑特征并明确的规定逆反应速率系数 辅助反应数据: REV/ Arev Brev Erev/,平衡常数用浓度单位,标准大气压,反应的熵变,反应的焓变,.,77,输运数据输入的例子,AR 0 136.500 3.330 0.000 0.000 0.000 AR* 0 136.500 3.330 0.000 0.000 0.000 C 0 71.400 3.298 0.000 0.000 0.000 C2 1 97.530 3.621 0.000 1.760 4.000 C2O 1 232.400 3.828 0.000 0.000 1.000 CN2 1 232.400 3.828 0

27、.000 0.000 1.000 C2H 1 209.000 4.100 0.000 0.000 2.500 C2H2 1 209.000 4.100 0.000 0.000 2.500 C2H2OH 2 224.700 4.162 0.000 0.000 1.000 CH2OH 2 417.000 3.690 1.700 0.000 2.000,反应物名,线性,e/k,s,m,a,Zrot,Lennard-Jones 深度,Lennard-Jones 直径,偶极力矩,极性,转动松驰因子,.,78,表面反应机理的例子,SITE/SILICON/ SDEN/1.66E-9/ SI(S) END

28、BULK SI(B)/2.33/ END THERMO ALL 300. 600. 1685. SI(S) J 3/67SI 100 000 000 0S 300.000 1685.000 1 0.24753989E 01 0.88112187E-03-0.20939481E-06 0.42757187E-11 0.16006564E-13 2 -0.81255620E 03-0.12188747E 02 0.84197538E 00 0.83710416E-02-0.13077030E-04 3 0.97593603E-08-0.27279380E-11-0.52486288E 03-0.4

29、5272678E 01 4 SI(B) J 3/67SI 100 000 000 0S 300.000 1685.000 1 0.24753989E 01 0.88112187E-03-0.20939481E-06 0.42757187E-11 0.16006564E-13 2 -0.81255620E 03-0.12188747E 02 0.84197538E 00 0.83710416E-02-0.13077030E-04 3 0.97593603E-08-0.27279380E-11-0.52486288E 03-0.45272678E 01 4 END REACTIONS SIH4 +

30、 SI(S) = SI(S) + SI(B) + 2H2 1.05E17 0.5 40000 SI2H6 + SI(S) = 2SI(S) + 2SI(B) + 3H2 4.55E26 0.5 40000 SIH2 + SI(S) = SI(S) + SI(B) + H2 3.9933E11 0.5 0.0 SI2H2 + 2SI(S) = 2SI(S) + 2SI(B) + H2 1.7299E20 0.5 0.0 2SI2H3 + 4SI(S) = 4SI(S) + 4SI(B) + 3H2 6.2219E37 0.5 0.0 H2SISIH2 + 2SI(S) = 2SI(S) + 2S

31、I(B) + 2H2 1.7007E20 0.5 0.0 2SI2H5 + 4SI(S) = 4SI(S) + 4SI(B) + 5H2 6.1186E37 0.5 0.0 2SIH3 + 2SI(S) = 2SI(S) + 2SI(B) + 3H2 2.3659E20 0.5 0.0 2SIH + 2SI(S) = 2SI(S) + 2SI(B) + H2 2.4465E20 0.5 0.0 SI + SI(S) = SI(S) + SI(B) 4.1341E11 0.5 0.0 H3SISIH + 2SI(S) = 2SI(S) + 2SI(B) + 2H2 1.7007E20 0.5 0

32、.0 SI2 + 2SI(S) = 2SI(S) + 2SI(B) 1.7607e20 0.5 0.0 SI3 + 3SI(S) = 3SI(S) + 3SI(B) 8.6586E28 0.5 0.0 END,表面反应物的热力学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”）,.,79,化学设置文件概要,前处理程序创建连接文件，连接文件将指定的化学信息传递到反应模型, 始终要求 ( )有些问题要求,.,80,化学文件来源,从其他研究人员获得的 CHEMKIN 机理 CHEMKIN 在线用户群: 从文献， NIST 编辑系数 NIST 动力学数据库 搜索 CHEMKIN 引用数据库:

33、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: 机理集成服务,.,81,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 用什么数据作的验证或校对 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,.,82,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置 CH

34、EMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,83,真实流动的理想化近似,完全扰动反应器,内燃机,平推流反应器,化学和相平衡反应器,扩散火焰,均质批反应器,.,84,多数模块可包含表面化学,完全扰动反应器,柱塞和剪切流反应器,LPCVD 热分析器和反应炉,转动圆盘 CVD 反应器,.,85,反应模块概括,.,86,混合标志,.,87,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 结果处理: 绘制结果 vs变参数图 描述热力学循环,Gibbs 自由能的最小化,.,88,闭式0-D 反应器,

35、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,R,P,time,Yk,I,.,89,开式0-D反应器,完全搅拌器 不涉及化学 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

36、流动力学相互作用,.,90,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 连续的群连接 一个群外面不允许逆向循环 使用流动连接或信息连接,.,91,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,.,92,1-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

37、 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,每单位距离近似作为表面面积,.,93,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,.,94,1-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 包含横向流动扩散 对

38、称或非对称选项,.,95,1-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,.,96,1-D 火焰反应器,预混火焰速度计算器 预测绝热火焰速度 确定可燃限和火焰厚度 热损失和辐射传递的作用 层流 热的形成和反应速率敏感性分析,.,97,1-D 火焰反应器,对流扩散火焰 类似减少2-D 平面或3-D 轴对称流场为1-D 模型的转化 1-D边界条件假设 扩散火焰可燃限 为产生CFD平台进行火焰模拟 热的形成和反应速率敏感性分析,.,98,Shower-head CVD 反应器,3-D流动预测的近似1-D转换: 全部3-D流场 轴向分量& 温度轮廓

39、 旋转盘或滞止流动 瞬态和稳态选项 表面沉积 (在x=0处),旋转盘,滞止流动,.,99,Shower-head CVD 反应器,输运选项 均匀或多组分混合 热扩散选项 假定 径向均匀边界条件 确定径向范围 没有到反应器壁面的径向损失,.,100,标准激波模型,入射激波模型 激波波动前用户指定条件 相关气体动力决定初始后激波条件 瞬态动力学在激波通过后 包括粘性作用 反应激波模型 反射激波后相关气体动力决定条件 反射激波通过后开始瞬态动力学,.,101,机理分析器,计算化学设置的初始信息 反应速率vs温度 逆向反应速率 平衡常数 计算热力学参数vs温度 焓 熵 比热,反应速率.,热力和传输参数

40、.,传输数据,热力学数据,化学机理,.,102,机理分析器,计算传输参数 作为温度的函数 粘性 扩散系数 热传导率 允许指定“bath”气体 提取随压力而定的反应速率,.,103,单独增加的两个专业微电子反应器可用,分层式烘炉低压化学气相沉积(LPCVD) 模型 LPCVD 热力分析模型 温度贯穿反应器 LPCVD 烘炉模型 利用热分析模型结果 通过薄膜的沉积速率 通过负载的沉积速率 通过CHEMKIN中的可用菜单访问 命令输入形式 独立的用户菜单,.,104,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置

41、 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,105,.,CHEMKIN 4.1 新的可视化选项,3-D 轮廓图 交互式旋转,镜像图 对称坐标,多重Y坐标,106,.,首先我们将运行一个例子问题来产生一个解算方法,例子: 在一个发动机中临界压缩比的确定 压缩比在着火发生处,其它所有参数固定 临界压缩比 (CCR)可用于估算燃料的辛烷值(ON) 基于CCR和RON或MON间的关系 用来探究燃料混合物和替代燃料的辛烷值 这个例子研究了丁烷-空气混合物(富氧)的CCR,107,.,CHEMKIN IC 发动机模型模拟了一个发动机汽缸内的压燃,封闭系统, 瞬态模拟 进气门关闭到排气门

42、打开前的一段时间 容积 vs. 时间由以下决定 : LC/LA比 压缩比 = 总容积 / 压缩容积 总容积 发动机速度 其它输入: 开始曲轴转角 (进气门关闭) 初始压力和温度 热损失 依靠动力学预测现象: HCCI着火, 柴油发动机 SI 燃烧敲缸 实验室速压机,108,.,实验上已经观测了CCR和RON间的关系,基于计算出的临界压缩比可以调配出理想燃料的研究法辛烷值,数据来自 Westbrook及其他人: * = 试验值 其它符号 = 计算值,RON = Research Octane Number,109,.,例子: 临界压缩比,打开 training 案例: “training ic_

43、engine_ignition_compression_ratio.ckprj” 观察前处理面板化学设置并运行前处理 观察反应器面板设置 模拟时间=0.04 sec (或 360 度曲轴转角) 在参数研究中指定压缩比变化 在 RunParameter 面板中, 选择 All cases 和 Run Selected 更新运行状态 在RumParameter Study 面板中输出文件可以被存取 RumParameter Study 后处理结果 创建温度 vs. 时间和 vs.压缩比的三维图,110,.,选择后处理变量,过滤器控制输入变量,在图中改变显示的单位,包含反应物的生产速率作为输出变量,

44、弹出后处理程序,111,.,后处理程序控制面板,在同一时间里可以加载多重解算文件,不同图形的类型选项 (用户可以创建新的类型),镜像图用来显示对称结果,可以应用以前保存的 “宏”,HANDS ON,创建图形,112,.,用温度作为Z轴绘制一个 3-D 轮廓图,旋转图,连续撤消 (Cntrl-Z), 对于所有操作!,放大/缩小,注释插入: 文本框, 图画形状, 箭头记号,临界压缩比 13.2,113,.,用OH摩尔分数作为Z轴绘制一个 3-D 轮廓图,OH分数 vs时间、压缩比的轮廓图 OH是燃烧的中心,114,.,很容易输出绘制的图像,以几种格式输出图像 (bmp, gif, tiff, et

45、c.) 控制图像的清晰度和尺寸 剪切/粘贴到其它的 Windows 应用程序,115,.,为几个CCR值绘制一个温度 vs时间的线性图,通过按下ctrl键进行多项选择,116,.,数据区域工具允许快速地放大感兴趣的区域,点击图激活数据区域 点击数据区域图标 围绕缩放区域画距形框 或者用箭头-/+ 来调整区域,117,.,有很多选项可以控制图像格式和外观,双击图像进入Visualization Browser窗口,数据空间 (顶部): 轴缩放比例, 颜色, 线型, 宽度 背景色, 透明度,轴: 线型, 符号开/关, 正文字体 , 记号,三维轮廓线/线性: 颜色, 符号开/关 外形, 尺寸, 颜色

46、, 填充, Z轴坐标,注释: 图例文本字体 , 间距, 轮廓,118,.,改变字体，坐标轴和图例文字，线型并增加注释,双击图像进入Visualization Browser 在图的Window工具条中使用Annotation图标,119,.,可以保存并在以后应用用户定义的图像类型,方便使用 设置首选 字体 轴外观 线形 & 符号风格 注释 为将来绘图保存一个类型 用 Edit Style Create Style 然后选择, 或 Edit Style Style editor,120,.,其他图像工作可由“Macros”自动完成,为其它操记录并应用 “macros” 可以记录任何鼠标点击或键盘

47、敲击,121,.,在后处理控制面板，Save/Reapply（保存/再运用）选项可以重复案例,Save / Reapply 绘图设置选项 选项可以一个接一个地保存工程,122,.,可以观看后处理部分的数据，并可以输出到文本文件,在一个单独的窗口观看所选择的数据设置,为应用到其它程序如Microsoft Excel 或Tecplot,输出数据到一个文本文件,123,.,用Excel画数据图 的例子,温度vs时间图（输出到Excel）,124,.,数据也可以很容易地输入到CHEMKIN后处理中,从例如Microsoft Excel输入逗号/制表符/空格分隔符文本文件,不核查柱标题,在控制面板可利用

48、新的绘图设置,.,125,主要内容,Reaction Design 介绍 CHEMKIN介绍 CHEMKIN安装 CHEMKIN用户界面 CHEMKIN化学设置 CHEMKIN模型 CHEMKIN后处理 CHEMKIN算例,.,126,模拟的基本步骤,确定建模的方法 能否用理想的反应器模拟实际过程 建立反应器（群） 寻找合适的机理，并进行预处理 确定问题类型并给定初始条件、几何条件、物理参数 创建输入文件，执行程序 通过后处理程序分析结果,.,127,问题求解技术,对于任何问题的定义，可能要求几种方法来找到解决办法,0-D模型适合于化学研究或者证实系统的效果,高级模型适合于设计和处理优化问题,.,128,对于复杂几何,模拟通常要求分级进行,总的化学描述 从工程概念来设计,CHEMKIN,.,129,chem.inp,therm.dat,chem.asc,.,130,绝热火焰温度,H2/air 项目名：equilibrium_gas.ckprj Reactor：equilibrium Chem.inp 3种元素：H、O、N 9种物质：H2、H、O2、O、OH、HO2、H2O、N