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概述

一種通過采用詳細基元反應來模擬氣相反應和表面反應的化學反應動力學軟件包。CHEMKIN軟件1980由美國Sandia 國立實驗室研究小組在當時能源危機的環境下開發的。

CHEMKIN燃燒反應工具包括詳細的燃油模型以及具有深度和廣度的仿真軟件，能夠提供高精確度的最佳實踐方法。這些工具能幫助您以經濟高效的方式實現性能和燃油效率目標，而不會影響求解時間。您的化學分析時間可減少幾個數量級，從而在本質上消除仿真過程中化學合成產生的瓶頸。更短的求解時間意味著您可以將更多精力用于探索設計替代方案、進行實驗、了解出現問題的環節和原因以及解釋觀察結果，而這些都無需以降低精確度為代價。

Chemkin-Pro ：全球反應過程求解標準工具

Chemkin-Pro 是對復雜氣相和表面化學反應進行建模和仿真的黃金標準，這些反應用于對汽車、卡車、噴氣式引擎、鍋爐、化學和材料加工設備和精煉應用中的燃燒系統進行概念開發。Chemkin-Pro 具有一系列精度高、快速且穩健的動力學模型，是概念設計階段用來進行“假設”分析最為可靠的動力仿真工具。工程師可借助精確的大型燃油模型，探索設計變量對性能、污染物排放和火焰熄滅的影響，從而得到想要的結果，幫助做出關鍵的產品開發決策。

Forte ：全新一代內燃機燃燒模擬工具

Forte 可以準確地對使用幾乎任何燃油的內燃機的燃燒性能進行仿真，幫助工程師快速設計出燃燒更清潔、高效的靈活燃油引擎。Forte 穩健準確的燃燒建模能力與自動化網格生成相結合，讓您可以快速分析設計，免去網格生成之憂。

MODEL FUELS LIB 模型燃料庫：全球最完整、最精確的燃料機理數據庫

模型燃料庫 (MFL) 包括經驗證的超過 65 個燃料組分的詳細反應機制，這些機制與眾多行業和商業應用中的燃燒仿真都密切相關。燃料組分可用于代表氣體或液體石油衍生燃料或替代燃料的燃燒。氣體燃料包括天然氣、合成氣、生物燃料和混合氣體。在液體燃料方面，可組合使用燃料組分模擬生活中的多種燃料，包括汽油、柴油、航空燃油、代用燃料、混合燃油和添加劑等。

Energico: 燃機燃燒與工業爐燃燒模擬的革命性軟件

它可以模擬常規的汽油、柴油、煤油和生物燃料等的燃燒。傳統的發動機設計者在模擬燃燒時，僅僅使用單一組分燃料的燃油機理，但是，要想得到精確地預測結果就必須通過復雜的燃油模型。現在，先進的燃燒工具FORTE^TM和ENERGICO^TM可以利用更復雜和精確的MFL模型，并保持了極快的求解速度。

CHEMKIN-CFD:3D CFD的最佳反應求解搭檔

CHEMKIN-CFD的強大化學反應模塊使其能在汽車，能源，化學和化工，微電子，材料制備，環境保護以及鋼鐵等行業被廣泛應用。

Reaction WorkBench:真實燃料模擬、全自動機理簡化的強大工具

Reaction WorkBench采用直接關系圖方法(DRG)、基礎組分分析法(PCA)、計算奇異攝動法(CSP)三種方法進行機理簡化。用戶對簡化過程進行完全控制，既可以在框架機理中任意保有任何組分，也可以使用參數化研究方法，評價機理簡化效果。

應用

航空

發動機是飛機、導彈等飛行器的核心動力裝置，其中燃料的燃燒情況決定了它們的機動性和飛行能力。隨著航天技術的不斷發展，國內外的科學家和工程師越來越關注燃料燃燒對發動機工作過程的影響。

Reaction Design開發的CHEMKIN系列軟件可通過數值模擬的方法系統地研究燃燒室結構、燃料成分對燃燒過程的影響，探索提高燃燒效率、燃燒穩定性的途徑，為提升發動機的動力性、經濟性和可靠性提供理論依據和指導。

主要研究問題：

· 航空發動機燃燒室煤油燃燒過程研究

· ENERGICO燃氣輪機燃燒模擬

典型算例：

· 燃氣輪機燃燒模擬

· 甲烷，空氣混合物的燃燒

· 99個反應物，693個反應

核心探討：

· 分析出口COx，UHC與NOx的濃度分布

· 應用LBO貧油熄火分析判斷火焰的穩定性

柴油機

廢氣再循環（EGR）技術就是從發動機排氣中，引回部分廢氣與新鮮空氣共同進入發動機汽缸內參與燃燒，既降低汽缸內的燃燒溫度，又有效控制高溫富氧條件下NOx的生成，從而大大降低發動機廢氣中NOx含量。EGR系統是由發動機ECU（電控單元）進行控制，ECU通過進氣溫度傳感器，進氣壓力傳感器，水溫傳感器，發動機轉速傳感器，油門傳感器，以及車輛制動信號，來感知發動機的各種狀態，從而控制EGR控制閥的開度和廢氣再循環比率。

從技術特點看，EGR技術可以有效降低燃燒過程中氮氧化物的生成。由于引入溫度很高的廢氣，增加了整個發動機的熱負荷，不僅對發動機進氣過程的冷卻提出了更高要求，而且整個發動機的冷卻系統散熱能力也需要提高。同時，由于需要控制氮氧化物生成，對燃燒過程的最高溫度和持續時間都必須進行嚴格控制。

EGR發動機的存在的問題的主要誘因是廢氣重新進入氣缸對結構設計的影響，所以進氣過程仿真是最重要的步驟。

· 進氣系統仿真

· 利用3D CFD方法模擬EGR發動機吸入廢氣和新鮮空氣混合后，缸內的氣體成分和分布。

· 關注氣門表面的沖刷

· 關注廢氣溫度的變化，避免水氣凝結

· 噴油過程仿真

· 用3D CFD方法分析直列泵噴射系統的燃油蒸汽霧化過程

· 考察并比對有無EGR情況下，蒸發過程的異同，優化噴油過程

· 燃燒過程仿真

· 利用3D CFD方法結合排放計算軟件CHEMKIN，選用準確機理，模擬NOx和顆粒物的生成過程

· 優化NOx生成率、生成時間和EGR率的關系增壓器壓氣機仿真

· 利用3D 多組分計算考慮增壓器的葉片載荷以及腐蝕問題

· 發動機零部件結構仿真

· 使用3D 強度分析軟件，針對耐久性試驗中出現問題的零部件，結合載荷應力和熱應力，進行零部件強度和疲勞分析，優化零部件結構設計

SCR的應用背景：

· 柴油機的PM與NOx排放存在著“trade-off”的關系

· 國III/國IV發動機排放控制的主流技術之一：增壓、中冷、共軌、SCR

優點：

· 能大幅度降低NOx排放（在不降低發動機效率的前提下，能使NOx的轉化率高達90%以上，并且在溫度范圍變化比較大的情況下保證較高的NOx轉化率）

· 較好的燃油經濟性（油耗可節省5% ~ 7%）

· 對燃油品質相對不敏感（尤其是對S毒副作用的高抗性）

· 催化劑活性高以及對水蒸氣穩定性

SCR原理：

· NH3—SCR選擇性催化還原技術利用NH3或尿素作為還原性物質，在O2濃度高出NOx濃度兩個數量級以上條件下，在一定溫度和催化劑作用下，利用NH3將NOx還原為N2和H2O。由于NH3高選擇性優先還原NOx，而不先與O2反應，故稱其為“選擇性催化還原”。

· SCR過程可在柴油機排氣溫度300℃~400℃溫度下進行。該反應可以去除柴油機排氣中絕大部分的NOx，同時也能不同程度降低HC和CO的排放。

SCR過程優化設計方案：

· 采用軟件仿真與部件試驗相結合的方法對SCR過程進行優化設計是國內外主機和配套廠商的主要SCR設計思路、歐洲主要的SCR廠商均使用Chemkin軟件進行過程仿真。

SCR過程仿真方案：

方法一：單獨使用CHEMKIN軟件仿真
方法二：使用CHEMKIN與CFD軟件耦合仿真

汽油機

從近年開始小排量、高增壓、缸內直噴以及與之相配合的雙離合變速箱技術，使得車用汽油機的油耗大大降低，排放量顯著減少，綜合駕駛性能明顯提高。

CHEMKIN軟件為車用汽油機的模擬提供了一整套研發工具。

· SinoFlow公司提供國內93號，97號國家標準汽油的化學成分分析。

· CHEMKIN-WorkBench提供全套碳氫燃料機理包括汽油燃燒機理，提供全套機理簡化方法，為核心燃燒機理的開發提供了便捷工具。

· CHEMKIN-CFD提供CHEMKIN核心求解器與通用CFD軟件的耦合運算。

· FORTE作為著名的專業燃燒開發工具KIVA的最新商業版本，集成了幾十年KIVA的開發經驗，包括Wisconsin ERC的模型，使用了動態網格分組和動態自適應化學求解器，大大加快了求解速度，可以比常規CFD求解器快十倍以上。

· CHEMKIN系列工具的汽油機燃燒模擬可以高精度的模擬點火、火焰傳播、爆震、NOx生成、三元催化、顆粒物生成等一系列污染物生成和降低，是全新一代的低污染汽油機開發工具。

鍋爐

隨著我國經濟的發展，煤燃燒帶來的環境問題日益嚴重，燃煤產生的NOx和重金屬可嚴重危害人類的健康，對水資源、大氣和土壤造成極大的破壞。針對以上環境問題，各種煤燃燒污染物排放技術應運而生。在各個技術實際運行中，運行條件的變化會造成脫除成本、效率的巨大差異。無論是設計人員還是現場運行工程師都希望能有一款CAE軟件來指導工業應用。

Reaction Design開發的CHEMKIN系列軟件可針對工業應用中影響脫除效率的主要因素進行數值模擬，揭示最佳的反應條件，對工程應用起到指導作用。

主要解決問題：

· 選擇性催化還原（SCR）法脫除煙氣中的NOx

· 選擇性非催化還原（SNCR）法脫除NOx

· 燃煤過程中痕量重金屬分析（汞鉻）

· 再燃過程降低NOx

· 煙氣噴鈣還原NOx

· 等離子法脫除NOx

石油化工

乙烯是石油化工行業最重要的基礎原料之一，乙烯工業的技術水平是衡量一個國家石油化工發展水平的重要標志。烴類裂解制乙烯是較大分子的烴類在高溫下發生斷鏈和脫氫反應生成較小分子的乙烯和丙烯等產物的過程，包括脫氫、斷鏈、異構化、芳構化等諸多反應。

Reaction Design開發的CHEMKIN系列軟件可全面系統地分析乙烯裂解爐內燃燒、煙氣流動傳熱和管內裂解原料反應過程以及各個過程之間的耦合關系，為工程設計和操作提供理論指導。

微電子

化學氣相沉積(CVD)技術是全球范圍材料制作與加工行業應用較為廣泛的一種生產工藝，其機理是通過外來能量（熱源，等離子）激活氣態物質發生反應，生成能夠沉積在反應表面的密度稍大的較重物質層，從而均勻地給表面鍍上一層的薄膜。目前CVD主要應用于電子行業，包括集成電路、光電儀器、電子傳感器的制作與加工；催化劑生產；金屬的精細加工（如磨具、鉆頭加工），玻璃的生產，防高溫的陶瓷制品制作等等。

Reaction Design開發的CHEMKIN系列軟件可以對CVD工藝進行較好的模擬，能夠形象地反映表面反應的過程，包括產物濃度的變化、產物沉積速率以及溫度和流場的分布等，從而可以幫助企業減少有害物質的排放，優化生產工藝。

主要應用包括：

· 旋轉盤、管道流動，多晶片反應器中CVD過程

· 反應器中工況參數優化

典型算例：

· 旋轉條件下硅烷氣相沉積工藝模擬

· 惰性氣體氦氣中1%的硅烷常溫下從上往下注入；

· 沉積墻面溫度1000K，且高速旋轉1000rpm；

· 17種反應物，26個可逆反應，其中13個表面反應；

核心探討

· 分析反應物的流動，反應，沉積過程；

· 了解沉積速率，產物濃度分布等細微變化。

核工業

輕水堆核電站發生嚴重事故時 ,堆芯內金屬的氧化反應及堆芯熔融物與混凝土的反應皆產生大量氫氣。氫氣在安全殼中擴散 ,同時不斷與空氣和水蒸氣混合 ,從而導致安全殼內形成可燃混合氣體。氫氣在安全殼內的燃燒將導致安全殼內氣體壓力和溫度的快速上升 ,給安全殼的完整性帶來嚴重威脅。在嚴重事故下 ,對可燃混合氣體采取點火器對氫氣進行預先點火是一種有效的緩解措施 ,其目的是在事故早期將氫氣在較低濃度下點火 ,從而確保氫氣僅發生慢速的擴散燃燒。

在國家核安全局頒布的《關于新建核電廠若干安全問題的技術政策》中明確指出:嚴重事故下 ,必須消除威脅安全殼完整性的大規模的氫氣爆燃和爆炸。針對這一政策 ,中國在今后新建核電廠時 ,必須考慮嚴重事故下氫氣在安全殼內的行為及其緩解措施。

CHEMKIN 作為作為世界上最頂尖的化學反應機理分析、燃燒過程模擬、流場分析軟件尤其適合于核電氫氣點火安全特性研究。

CHEMKIN 具有非常強大的求解復雜化學反應問題的軟件包，適合用于對燃燒過程、催化過程、化學氣相沉積、等離子體及其他化學反應的模擬。CHEMKIN 以氣相動力學、表面動力學、傳遞過程這三個核心軟件包為基礎，提供了對21 種常見化學反應模型及后處理程序。CHEMKIN能夠對氫氣點火燃燒的全過程進行完整精確的分析，從氫氣分布的三維計算流體力學模擬; 評估點火時氫氣發生火焰加速和燃爆轉變的可能性; 優化點火器系統的空間布置及點火時間; 到氫氣擴散火焰和慢速燃燒的模擬，CHEMKIN都能發揮其強大的分析、計算機優化能力。

碳煙

CHEMKIN-PTM理論介紹:

· SOOT模型中定義的碳顆粒可以由一個或一組碳原子構成

· 顆粒等級定義: 顆粒等級是由組成顆粒的固體組份的數量決定的,例如:一個碳顆粒的等級為100意思就是它由100個碳原子組成

· 粒子尺寸/等級的矩量函數

· 顆粒數量統計函數

· 顆粒質量統計函數

· 顆粒總體積統計

· 顆粒平均直徑統計

· 顆粒團聚模型

· 顆粒核形成反應

· 顆粒增長方式

· 顆粒的縮減模型