CHEMKIN401入门指南Word格式文档下载.docx

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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，SurfaceKinetics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。

图1.1计算过程

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SurfaceKinetics和Transport必须以Gas-PhaseKinetics为基础，因为它们中出现的成分都必须在Gas-PhaseKinetics已定义。

Gas-PhaseKinetics、SurfaceKinetics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自带的应用程序。

CHEMKIN提供了12个典型的应用程序（Application），它们的名字和描述如表1.1，其简图见图1.2：

AURORA

模拟稳态及瞬态的充分混合反应器网络，包括等离子体反应器。

CRESLAF

模拟圆管或平板边界层流动中的层流化学反应。

EQUIL

计算化学平衡和相平衡。

OPPDIF

模拟对冲扩散火焰。

OVEND

模拟多层的低压化学气相沉积（LPCVD）反应器

PASR

模拟部分搅拌反应器中的混合和动力学

PLUG

模拟柱塞流反应器

PREMIX

模拟稳态、层流、一维的预混火焰

SHOCK

模拟入射和反射激波的化学动力学

SPIN

模拟用于化学气相沉淀的一维转盘流或滞流反应器

SURFTHERM

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。

TWAFER

求解多层的低压化学气相淀积（LPCVD）反应器的温度

第三节CHEMKIN求解过程及用户操作步骤

CHEMKIN通常的求解过程如下：

1.GasPhaseKinetics（气相动力学）的处理

GasPhaseKinetics的前处理器（Pre-processor）读取用户编写的输入文件和自带的热力学数据库，生成包含元素、组分、热力学数据反应信息的Gas-PhaseKinetics连接文件。

Gas-PhaseKinetcs提供了处理这一文件的一个Fortran子程序库，供其他程序调用。

2.SurfaceKinetics（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。

SurfaceKinetics的前处理器读取用户编写的输入文件，生成包含表面反应信息的SurfaceKinetics连接文件，SurfaceKinetics提供子程序库处理该连接文件。

Transport的前处理器根据Gas-phaseKinetics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.Application（应用程序）求解

根据问题需要，应用程序读取输入文件确定求解过程，调用Gas-PhaseKinetics、SurfaceKinetics、Transport各自的子程序库内相应的子程序来读取反应信息，然后进行计算。

CHEMKIN自带的12种应用程序中，每一种都有自己的前处理器，并对应不同格式的输入文件。

程序计算结束后，会生成一动态连接文件供后处理。

4.Post-Process（后处理）

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。

用户操作的一般步骤如下：

1.决定问题的性质，选择适当的应用程序

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12个应用程序里，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应用程序可以很好的解决你的问题，或者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。

2.编写核心程序输入文件

编写Gas-PhaseKinetic的输入文件，在其中定义元素、组分、化学反应等；

编写SurfaceKinetic的输入文件（如果问题需要），在其中定义表面的性质和反应等。

Transport不需要编写输入文件，该程序只处理CHEMKIN自带的一个传递数据库（tran.dat）。

3.编写应用程序输入文件

按照应用程序要求的格式，定义反应条件、反应过程、求解方法等。

4.求解&

后处理

点击用户界面的“Run”按钮执行程序计算；

点击用户界面的“Restart”按钮以上次计算结果为初始条件重新计算（在有些情况下会用到）；

点击用户界面的“Post-Process”按钮调用CHEMKIN后处理器

第四节后处理器的使用

CHEMKIN的计算结果可以从其生成的文本输出文件中查看。

CHEMKIN为所有的应用程序提供了一个统一的后处理程序（Post-Processor），可以方便的将计算结果绘制成曲线。

点击程序界面右下端的按钮“Post-Process”启动后处理器，默认情况下会读取工作目录下的XMLdata.zip文件中的数据，启动之后用户还可以添加其他解文件的数据。

在弹出的选项卡中，“SolutionSet”选项卡内选择要绘制成曲线的解系列，因为有些应用程序的结果中会出现多个解系列（如CRESLAF）。

“Species/Variables”选项卡内选择要绘制成曲线的变量或组分，第一列（Row）列出解文件中所有变量名，第二列（SpeciesVar）为变量值，第三列（Rxnsens）为该变量的误差（有的应用程序后处理时无此列），第四列（RatesofProd）为该变量的产生率。

进入绘图界面后，选择菜单Plot->

X-Yplot，从弹出的选项卡中选择曲线的X轴和Y轴（可多选）。

选择菜单Plot->

Contour，选择要绘制等高线的变量，但要求解结果必须是二维的（如CRESLAF）。

说明：

本文作为一本入门教程，旨在使大家能够迅速了解和掌握CHEMKIN的基本功能和应用，所以很多复杂的高级技巧只做了一些简单介绍或者完全忽略。

CHEMKIN的帮助系统提供对程序所有功能的详细介绍，请自行参阅。

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。

第二章核心程序（CoreUtility）

本章介绍Gas-PhaseKinetics,SurfaceKinetics,Transport这三个核心程序包，它们是应用程序计算统一的平台。

第一节Gas-PhaseKinetics（气相动力学）

气相反应动力学是所有CHEMKIN计算的基础。

Gas-PhaseKinetics软件包包括一个前处理器（Pre-Processor），一个热力学数据库（Thermo.dat）和超过150个子程序的程序库。

其处理过程参见图1.1：

首先，前处理器读取用户编写的输入文件（默认为chem.inp），然后从热力学数据库（Therm.dat）获取在输入文件中定义了的组份的热力学数据；

之后生成包含元素、组份、反应的各种信息的连接文件（chem.asc）。

应用程序可以通过调用其子程序库来读取该连接文件中的信息。

同时，前处理器还会生成一个文本文件（chem.out），里面为元素、组分和反应的列表；

如果输入文件有错误，错误信息也会出现在chem.out中；

该文件可以在CHEMKIN程序界面里打开并查看。

介绍Gas-PhaseKinetics输入文件之前，先介绍CHEMKIN格式的输入文件的一些通用规则：

1.注释符号“！

”。

符号“！

”无论出现在一行的任何位置，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列

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）。

下面介绍如何编写Gas-PhaseKinetics的输入文件。

该文件包括四部分的内容，分别为元素、组份、热力学数据、化学反应，如例2.1所示：

!

例2.1

ELEMENTSHOEND!

元素定义

SPECIESH2HO2OOHH2OEND!

组分定义

THERMO!

热力学数据（本例中只定义了“OH”的热力学数据）

OH121286O1H1G0300.005000.001000.001

0.02882730E+020.10139743E-02-0.02276877E-050.02174683E-09-0.05126305E-142

0.03886888E+050.05595712E+020.03637266E+020.01850910E-02-0.16761646E-053

0.02387202E-07-0.08431442E-110.03606781E+050.13588605E+014

END

REACTIONS!

反应方程及Arrhenius系数

H2+O2=2OH0.170E+140.0047780

OH+H2=H20+H0.117E+101.303626

O+OH=O2+H0.400E+15-0.500

O+H2=OH+H0.506E+052.676290

2OH=O+H2O0.600E+091.300

H+H+M=H2+M0.100E+19-1.000

H2O/0.0/H2/0.0/!

辅助数据

H+H+H2=H2+H20.920E+17-0.600

H+H+H2O=H2+H2O0.600E+20-1.250

一、元素（Elements）部分：

［规则］此部分以ELEMENTS（或者ELEM，两者等价）关键字开头；

其后以空格为间隔符列出将在反应中出现的所有元素；

最后以END关键字结束。

例如定义氢（H）、氧（O）、氮（N）、电子（E）四个元素：

ELEMHONCE　END

！

如果程序中有离子参加反应，则电子（E）必须作为一个元素定义

用户要按周期表的元素名（两个字母均须大写）来定义元素，CHEMKIN可以辨认的元素如表2.1。

如果用户定义同位素或新元素的话，可以以1~2个字母命名（不与元素表重名），并将其原子量以“/”括住跟随其后。

如定义氢（H）的同位素氚（命名为HH）如下：

ELEMHH/3.0/END

表2.1CHEMKIN元素表：

H,HE,LI,BE,B,C,N,O,F,NE,NA,MG,AL,SI,P,S,CL,AR,K,CA,SC,TI,V,CR,MN,FE,CO,NI,CU,ZN,GA,GE,AS,SE,BR,KR,RB,SR,Y,ZR,NB,MO,TC,RU,RH,PD,AG,CD,IN,SN,SB,TE,I,XE,CS,BA,LA,CE,PR,ND,PM,SM,EU,GD,TB,DY,HO,ER,TM,YB,LU,HF,TA,W,RE,OS,IR,PT,AU,HG,TL,PB,BI,PO,AT,RN,FR,RA,AC,TH,PA,U,NP,PU,AM,CM,BK,CF,ES,FM,D,E

其中，D为氢（H）的同位素氘（D），E为电子。

注：

元素定义的规则很自由，比如可以出现多个ELEM，元素可以分多行来写，END可以省略，如果元素定义重复的话后面的一个将被忽略等，但由于这些规则仅仅是为了程序处理方便，这里就不一一赘述了。

在后面的文档中，我们也只介绍正规的规则，类似的自由规则不在我们学习之列。

二、组份（Species）部分：

［规则］以SPECIES（或SPEC）开头；

其后以空格为分隔符列出将在反应中出现的所有组份；

最后以关键字END结束。

例如：

SPECIESH2O2HOOHHO2N2NNOEND

组份可用不超过16个字符而且以字母开头的任意字符串来命名，但不建议随意命名。

因为如果要利用CHEMKIN的热力学数据库therm.dat的话，组分的命名必须按照CHEMKIN的规则来，这些组分名称都是按照其分子式来命名的，CHEMKIN可以识别的组份名称（778种）列入附录1中。

对于附录1中的组分名称，CHEMKIN可以从热力学数据库therm.dat中自动获取到该组分的元素组成及其热力学性质。

如果用户定义的组份不在其中，则该组份的热力学数据需自行定义。

三、热力学数据（ThermodynamicData）：

所有定义的组份都必须有其热力学数据。

CHEMKIN提供了一个比较完善的热力学数据库文件（therm.dat），可以在CHEMKIN图形界面查看并修改。

常见组分一般都包括内（参见附录1），所以只要按照CHEMKIN规定的格式命名组分，通常情况下用户并不需要定义热力学数据。

只有当1.用户要用自己的数据代替therm.dat中的热力学数据2.用户定义的组份在数据库中没有时，才需要定义其热力学数据。

热力学数据的定义基于下面的多项式模拟：

在热力学数据中需要定义组分的元素组成、两个温度区间、及在每个温度区间内

的值。

热力学数据的定义非常的严格，这里不作介绍了，有兴趣的参看帮助文件。

四、反应机理（ReactionMechanism）

Arrhenius定律：

［规则］起始行：

关键字REACTIONS（或REAC），其后为Arrhenius系数的单位（可选）。

中间行：

反应方程式，然后为该方程的Arrhenius系数（依序为Ai，βi，Ei）；

有些反应需要辅助数据补充说明，出现在该反应方程式的下一行。

结束行：

关键字END。

1.在起始行内可以定义Arrhenius系数Ai和Ei的单位；

Ei的单位可以定义为CAL/MOLE,KCAL/MOLE,JOULES/MOLE,KJOULES/MOLE,KELVINS,或EVOLTS。

Ai的单位可以用关键字MOLES或MOLECULES来定义，分别对应cm•mole•sec•K和cm•molecules•sec•K。

如果没有定义，Ei和Ai的默认单位是：

cal/mole和cm•mole•sec•K

2.反应方程中，“=”和“<

=>

”用于可逆反应（两者等价），“=>

”用于不可逆反应，“+M”表示催化剂，“（+M）”用于压力控制反应，“HV”表示光子，“E”表示电子。

4.有些反应方程之后需要有补充的辅助数据说明。

如果一个反应后面出现辅助数据，则会是如下的情况之一：

a）含“+M”的反应中，某些组分有着特别的催化效率。

b）含“（+M）”的反应（即压力控制反应）。

c）Landau-Teller反应

d）反应速率由Chebyshev给出

e）反应速率拟合关系式

f）包含“HV”的反应，定义光子的波长

g）组分随温度变化

h）能量损失参数

i）等离子体动量传递碰撞频率

j）逆反应速率（通常可逆反应的逆反应速率由平衡常数计算，也可以在辅助数据中用REV关键字直接给出）

k）反应指数

l）反应单位（如果仅仅改变某个反应的Ei、Ai的单位）

m）DuplicateReaction（如果两个反应的生成物和反应物都相同但反应机理不同，可以在辅助数据中用关键字DUP加以区别）

n）用户编程定义反应速率

各种类型的辅助数据格式也不一样，这里只给大家一个概念，并不准备去细讲。

因为我们通常情况下并不需要自己去编写反应机理。

很多反应的反应机理都已有人研究过，下面提供几个常用的网络资源。

[网络资源]：

1.LawrenceLivermoreNationalLaboratory，网址为：

http:

//www-cms.llnl.gov/combustion/combustion2.html

提供许多燃料的燃烧机理，直接为CHEMKIN格式，方便易用。

2.美国NIST（NationalInstituteofStandardandTechnology）的化学动力学数据库，网址为：

//kinetics.nist.gov/index.php。

可以查询任意反应的反应速率，而且可以查到该数据出自那篇文献。

3.GRI（GasResearchInstituteofUniversityofCaliforniaatBerkeley），网址为：

//www.me.berkeley.edu/gri-mech/data/frames.html。

可以查到大部分反应的Arrhenius系数。

该研究所对天然气燃烧的研究尤为深入。

第二节SurfaceKinetics（表面动力学）

很多过程中都包含固体表面与气相的反应，如化学气相沉积、化学腐蚀、固体腐蚀、催化过程等。

KHEMKIN的核心程序SurfaceKinetics软件包就是在气相反应（Gas-PhaseKinetics）的基础上处理这一过程。

SurfaceKinetics由一个前处理器和含70多个子程序的程序库组成。

SurfaceKinetics的处理过程参见图1.1，前处理器读取用户编写的输入文件（surf.inp），并从Gas-PhaseKinetics连接文件（chem.asc）中读取相应的数据，将其输出为包含表面反应各种信息的表面反应连接文件（surf.asc）；

同时还生成一个文本文件（surf.out），该文件包含反应机理的描述及出错信息，可以在程序界面里打开。

在编写SurfaceKinetics输入文件之前，先来介绍一些CHEMKIN表面反应的基础：

在表面反应中，根据相的不同，组分可以分为三大类型：

气体（gas）、表面（surface）、和体内（bulk）。

表面可以定义不同的site，以表明表面性质的不同（如处于尖的地方和平的地方），每个site均可以定义各自包含的组分，同时每个site都是一个相。

体内（bulk）也可以定义不同的bulk相。

假设定义了Ns个site和Nb个bulk，则整个系统共有1+Ns+Nb相，其中1相为气相，2~Ns+1为表面相，Ns+2~Ns+Nb+1为体内相。

如果系统有几类不同的表面（比如有两个表面，其表面和体内的组分、相、反应完全不同），则可将每一类表面定义为一个material，每个material可以定义自己的site、bulk、及化学反应。

输入文件如例2.2，每个文件可以定义多个material，每个material包括material的声明、site的定义、bulk的定义、热力学数据、表面化学反应等五部分：

例2.2

MATERIALWAFER!

material的声明，当有数类不同的表面反应时需要

SITE/POLY/SDEN/2.25e-9/!

site的声明，其后为该site内的组分

SI（S）SICL（S）SICL2（S）SICL3（S）

BULK!

bulk的声明，其后为该bulk内的组分

SI（B）/2.33/

REACTIONSMWOFF!

反应方程

CL+SI（S）=>

SICL（S）1.00.00.0

E+CL2++2SI（S）=>

2SICL（S）0.40.00.0

E+CL++SICL3（S）+SI（B）=>

SICL4+SI（S）0.500.00.0

MATERIALWALL!

第2个material声明，亦即第2类表面反应

SITE/METAL/SDEN/2.25E-9/

AL（S）ALCL（S）

REACTIONSMWOFF

CL++E=>

CL0.60.00.0

CL+AL（S）=>

ALCL（S）1.00.00.0

一、material的声明

［规则］以MATERIAL关键字开始，紧接着是该material的名字

如果只有一种表面，此部分可以不定义。

二、site数据

［规则］开始行：

关键字SITE，之后为斜线括起来的site名字，之后为关键字SDEN，之后斜线括起来的是该site在标准状态下的密度，例如SITE/POLY/SDEN/2.25e-9/

该site内包含的组分，以空格间隔

关键字END

如果该material内有多个site的话，可以按上述格式重复site的定义，但site的名字必须不同。

三、bulk数据

关键字BULK，之后为斜线括起来的bulk名。

该bulk包含的组分，每一组分后可以跟随一个被斜线括起来的数字来定义该组分的密度（g/cm3）。