CHEMKIN入门指南

CHEMKIN 4.0.1入门指南——《燃烧学1》辅助教程文中如有任何错误，敬请指出，以便不断改进；如有任何问题，欢迎提出，共同探讨助教博士生：卢智恒联系方式：热能系系馆办公室201（O）62782108 （H）62779574luzhiheng@2005.3一、CHEMKIN的安装和简介1－1 安装CHEMKINChemkin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:combustion@166.111.56.155 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1024×768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，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，将在下一节介绍。

二、CHEMKIN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 的工作界面分为任务栏、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1所示。

有关Open Projects选项卡的使用将在下文的例子中介绍。

表1 CHEMKIN提供的7类21种反应器与2种应用程序Miscellaneous （杂项）External Source of Inlet Gas，添加入口气体源，一般在有多路气体输入时才使用Non-Reactive Gas Mixer，计算不反应气体组分的混合过程Chemical and Phase Equilibrium Calculation，计算化学平衡和相平衡Mechanism Analyser，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Closed 0-D Reactors （封闭0维反应器）Closed Internal Combustion Engine Simulator，模拟封闭的内燃机内的燃烧情况Closed Homogenous Batch Reactor，模拟封闭的全混同性反应器，包括定压、定容反应器Closed Partially Stirred Reactor(PaSR)，模拟封闭的部分混合的反应器Closed Plasma Reactor，模拟封闭的等离子体反应器Open 0-D Reactors （开口0维反应器）Perfectly Stirred Reactor(PSR)，模拟稳态及瞬态的充分混合反应器Plasma PSR，模拟充分混合等离子体反应器。

Partially Stirred Reactor(PaSR)，模拟部分混合反应器Flow Reactors （流动反应器）Plug Flow Reactor，一维柱塞流反应器Plasma Plug Flow Reactor，等离子体一维柱塞流反应器Planar Shear Flow Reactor，平板层流反应器Cylindrical Shear Flow Reactor，圆柱层流反应器Honeycomb Monolith Reactor，蜂窝结构反应器Flame Simulators （火焰模拟）Premixed Laminar Burner-stabilized Flame，模拟层流预混的稳态火焰Premixed Laminar Flame-speed Calculation，层流预混火焰传播速度的计算Diffusion or Premixed Opposed-flow Flame，模拟扩散或预混的对冲火焰CVD Reactors （化学气相沉积反应器）Stagnation Flow CVD Reactor，模拟用于化学气相沉积的滞流反应器Rotating Disk CVD Reactor，模拟用于化学气相沉积的转盘流反应器Shock Tube Reactors （激波管道反应器）Normal Incident Shock，模拟入射激波的化学动力学Normal Reflected Shock，模拟反射激波的化学动力学2－2 CHEMKIN的求解过程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、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。

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。

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。

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1】计算化学当量的H2与空气的定压绝热燃烧温度。

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．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。

在弹出的窗口中选择刚才的工作路径，输入文件名chem.inp，按Open/Create按钮后即可开始编辑气相动力学输入文件了。