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Chemkin 安装及使用

❤❤❤❤❤简介❤❤❤❤❤

CHEMKlN-PRO,相比之前的版本,该软件反应器模块更加丰富、用户界面更加友好、模拟速度更快、而且后处理功能实用方便

数据包的应用

  • (1)气相动力学(Gas.Phase Kinetics):所有程序计算的基础,包括化学反应机理和热力学数据两部分。
  • (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,表面动力学提供两相反应所需 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系数、热传导系数、扩散系数和热扩散系数等。

热力学数据

在CHEMKIN中,热力学数据被用来定义反应中涉及到的分子的元素组成、 物相和热力学性质。热力学性质的格式采用NASA标准,由14个参数组成。这 14个参数分为两段,前7个参数用来计算高温区间(一般为1000 K以上)的热 力学参数,如等压热容$Cp$、生成焓$H$0以及熵$S$0。后7个参数用来计算低温区间 (一般为1000 K以下)的热力学参数,如公式E7-E9所示。其它热力学参数如 吉布斯自由能和内能等可由Cn,口和P求出。

image.png

对于热力学参数的求算,一种常用的经验方法为Benson基团加和法


(Benson’s group additivity method)。1958年Benson和Buss讨论了该方法,在他们的层次结构中,原子加成(atomic additivity)是第一级的近似,第二和第三级的近似为键加成(bond additivity)和基团加成(group additivity)。原子加成在计算一些简单的性质,如分子的质量是有效的,但是用于计算热力学性质是不合适的。键加成构成了Benson和Buss分层方案的基础,可以用来进行有效的估算。Benson定义的基团为“分子中的多价原子(配位数三2)和它的所有配体”。 此外,还需要考虑非键的相互作用,因为空间的相互作用在一系列化学键中没有得到定义,比如gauche、两个甲基间的相互作用、顺式作用、临位效应,以及环的角应变和扭应变等。基于Benson基团加合法,发展出了一些热力学计算软件,如Therm、Thergas和Chetah等,可以快速得到标准摩尔生成焓AfH0(298K)、 标准摩尔生成熵S0(298K)等压热容等数据,并拟合得到NASA格式的热力学参数,直接在CHEMKIN中使用。

动力学数据

化学反应机理是CHEMKIN中的重要输入文件, 它包括元素组成、物种名称、化学反应及速率常数。在机理文件中,需要给明A,n和E三个参数。对于一些化学反应,如单分子解离的路径,他们的速率常数不仅与温度相关,还对压力有依赖。CHEMKIN 对压力依赖反应的速率常数提供了几种描述方式,如Troe参数形式、CHEB形 式和Hog形式等。化学反应速率常数的获得主要有三种方式:类比相似反应、 实验测量和量化计算。类比方法的前提是文献中有相似反应的速率常数,但是这种方法精度不高。实验测量是重要的提供速率常数的方法,但是限制条件较多, 而且数据有限。相比前两种方法,量化计算方法的精度更高、研究范围更加宽广, 是获得燃烧基元反应速率常数的重要途径。量化计算的过程中通常要根据实验结果进行计算方法的优化如选择合适的能量转移参数<△E>d。wn,以及计算软件中一些参数的设置如计算步长等。常用的速率常数计算软件包括Chemrate、 Mesmert和Variflex等。

输运数据

在涉及到对流、扩散、传导等流动问题时,需要气相多组分粘度系数、热传导系数、扩散系数和热扩散系数等。在CHEMKIN中的输运数据参数由六部分组成,包括分子结构(单原子为0、线性为1,非线性为2)、偶极矩μ(Debye)、 极化率α(A3)、转动弛豫碰撞参数Zrot、碰撞直径西格玛(A)以及Lennard.Jones参数等。

❤❤❤❤❤第一次入手需要了解的东西❤❤❤❤❤

需要至少俩个机理文件(reaction mechanism和thermal data),如果要用非一维模型,则可能还需要添加输运数据(transport data)。下面是一般机理文件的获取方式(来源)

成熟的数据库

Burcat’s Thermodynamic Data

Mechanism Downloads – University of Galway

NIST Chemical Kinetics Database

文献的附件材料

文献

利用 量子化学+化学反应动力学 计算,自己提供机理

❤❤❤❤❤安装准备❤❤❤❤❤

Windows系统(win10更佳。根据网上流传,win11兼容不太好)

软件安装包(Ansys软件安装包),可以从任一软件安装微信公众号下载。下面举例

❤❤❤❤❤使用说明❤❤❤❤❤

可以点击sample进行练习,里面有现成的各种算例

机理文件(热力学文件.dat、动力学文件.inp、输运数据(可无))

模型选择:根据自己的任务体系(最好依据有实验的参数对照)

遇到问题可以点击help(推荐使用对应软件版本自带的help,会跳转到对应的官方说明网页,很详细。如下图。不推荐使用离线说明书)

❀问题tips

预运行报错

error定位到机理部分,检查

动力学.inp里

  1. ELEMENTS是否完整,有缺少的元素?
  2. SPECIES是否完整,补充更新后的模型是否有新物种?
  3. 化学反应方程式的书写规则(具体参考help里的第三章)

热力学.dat里

热力学文件对格式要求严格。格式是否保证。参考The default format for thermodynamic data (see Table 2.1: Summary of the Rules for Thermodynamic Data and Table 2.2: Fortran Format Descriptions from Table 2.1: Summary of the Rules for Thermodynamic Data ) is a minor modification of that used by Gordon and McBride[1] for the Thermodynamic Database in the NASA Chemical Equilibrium code.(来自help里的)

“No solution found”报错 —–王凡

问题描述:

预运行成功,机理文件正确,检索“error”显示模拟结果“NO SOLUTION FOUND”

分析原因:

计算不收敛,首先初步判断机理有没有问题,机理是否刚性太强缺少小分子机理? 若确定机理没有问题,应该是模拟条件设置不合理。

解决方案:

1、更改网格精度,调整初始网格数量(大小)

2、更改初始的输入流量(有时候有用,初始流量对最终的火焰传播速度有轻微的影响)

3、更改输入的燃料氧化剂的百分比,对燃料的比例可以进行微调。例如H2/CH4=20:80混合燃料燃烧中,可以在燃料里面输入H2 : 20.0000001,重新运行

4、取消勾选敏感性分析等耗时的计算,重新模拟尝试

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