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
：热能系系馆办公室201
（O）62782108        （H）62779574
2005.3

一、CHEMKIN的安装和简介
1－1 安装CHEMKIN
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mbustion: 下载相关文件，其中chemkin401_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。
reactor软件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。
↓--------------------------------------【CHEMKIN的文件规则】--------------------------------------↓
CHEMKIN的输入文件有它自己的规则，用户在编辑输入文件的时候应该遵守这些规则。在介绍Gas-Phase Kinetics输入文件之前，先介绍输入文件的一些通用规则：
① 注释符号“！”。符号“！”无论出现任何位置，此行后面的文本将作为注释文本而被忽略。
② 输入文件每行不应超过80个字符
③ 除了个别有极其严格规则的地方外（如热力学数据的定义等，均会特殊声明），空格作为分隔符，而且多个空格将被视为一个。
④ 数字格式：可以为整数（如99）、浮点数如（99.99）、或E格式（如9.999E2，E大小写均可）。
下面介绍如何编写Gas-Phase Kinetics的输入文件。该文件包括四部分的内容：元素、组分、热力学数据、化学反应，如下例所示：
! 例：Gas-Phase Kinetics输入文件
ELEMENTS H O END                ! 元素定义
SPECIES  H2 H O2 O OH H2O END    ! 组分定义
THERMO                        ! 热力学数据(本例中只重新定义了“OH”的热力学数据)
OH                 121286O  1H   1           G   0300.00   5000.00  1000.00      1
0.02882730E+02 0.10139743E-02-0.02276877E-05 0.02174683E-09-0.05126305E-14     2
0.03886888E+05 0.05595712E+02 0.03637266E+02 0.01850910E-02-0.16761646E-05     3
0.02387202E-07-0.08431442E-11 0.03606781E+05 0.13588605E+01                       4

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