CHEMKIN概述-火灭原理与实例

大型气相动力学计算软件包CHEMKIN（Chemical Kinetics）可以用来解决带有化学反应的流动问题，是燃烧领域中普遍使用的一个模拟计算工具。该软件是1980 年美国Sandia 国家实验室Kee R J 等人开发并推出的，经几次完善发展，至今已开发出了第6 个版本CHEMKIN Pro。CHEMKIN 以气相动力学、表面动力学、传递过程这3 个核心软件包为基础，在Pro 版本中提供了针对6 大类，23 种常见化学反应模型及后处理程序，PSR 模型为其中的一个。

CHEMKIN的组成结构如图5.2所示。

图5.2　CHEMKIN的组成结构

解释器用来读入用户提供的燃烧过程中涉及的化学反应机理，该机理有可逆或不可逆的基元反应及其动力学参数（指前因子A、温度指数B 和活化能E 所组成），同时，还包括惰性物质（反应第三体）参与的反应。解释器从热力学数据库中提出与此机理中涉及的物质有关的热力学信息。解释器的输出形成连接文件，该文件中包含了机理中的元素、物质和反应的所有信息。

热力学数据库中包含了大多数燃烧问题中涉及的反应物、中间产物及终产物的热力学信息，其数据格式是按照Cordon 和McBride 的NASA 格式所制定的。气相子程序库由100 多个高度模块化的子程序所构成，子程序库提供了诸如元素、物质、化学反应的参数及状态式、热力学特性、化学反应速率和敏感性分析的计算结果，这些结果均有质量分数、摩尔分数和摩尔浓度3 种单位可供选择输出。输出结果可直接应用于流动燃烧程序的控制式的有关选项中，对用户感兴趣的流动燃烧过程进行模拟。

CHEMKIN 并不是直接应用于模拟计算燃烧过程的应用软件，若要完成燃烧过程的计算，首先需要建立燃烧目标问题的数学-物理模型，列出控制方程，采用有效的计算方法，编制与目标问题相关的燃烧计算程序。其次是建立能反映目标问题燃烧过程的化学反应机理，由CHEMKIN 解释器对该机理进行处理，生成与气相子程序库连接的文件，由气相子程序库执行所建立的燃烧模型控制方程中与化学机理反应有关的各项计算。不难看出，整个化学机理反应过程的计算和处理是独立于所建立的燃烧模型本身的，CHEMKIN 这种不依赖问题本身的运用形式为用户提供了极大的便利。

举例来说，描述定常一维层流预混火焰模型中的能量方程见式（5.5）：

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式中，M 为质量流率；ρ 为密度；A 为火焰传播的截面积；T 为温度；x 为空间坐标；cp为等压比热容；λ 为热传导系数；Yk为第k种物质的摩尔分数；ωk为第k种物质的反应速率；hk为第k种物质的焓；Wk为第k种物质的相对分子质量；Vk为第k种物质的扩散速度；p为压力。

假设反应物为CH4 和空气，则与CH4 燃烧相关的基元反应首先经过CHEMKIN 的解释器进行处理，然后由气相子程序库计算得到式（5.5）中的p、cp、ωk、hk和Wk等，从而求解能量方程。对于反应物中其他的燃料和氧化剂，一旦确定该燃料的燃烧机理，仍可由CHEMKIN进行处理和计算，并将计算结果带入能量方程中进行再次计算。除能量方程外，其他控制方程也可以通过同样的方法进行处理。

控制方程中的ωk是CHEMKIN 子程序库计算的主要内容之一，表达式为：

式中，r′ki、r″ki分别表示第i个基元反应中的第k 种物质正反应和逆反应的计量系数；［Xk］为第k种物质的摩尔分数；kfi、kbi分别表示第i个基元反应的正反应和逆反应速率常数，遵循阿累尼乌斯（Arrhenius）形式：

式中，kfi为第i个正向基元反应的反应速率常数；Afi为第i个正向基元反应的指前因子；T 为体系的温度；Efi为第i 个正向基元反应的活化能；Bfi为第i 个正向基元反应的温度指数。

CHEMKIN 具有界面友好的特点，使用时只需在选定的应用程序面上指定工作目录、输入文件及数据库文件后直接运行即可。计算结果可以在界面上直接点击应用程序输出文件以文本方式查看，也可以通过点击界面上后处理按钮以图形方式查看。由于该软件包具有结构合理、可靠性好、易移植性等特点，因而成为当今燃烧领域普遍使用的模拟计算工具。