KinTool – мощный инструмент для анализа кинетических механизмов
и моделирования газофазных химических превращений
в 0D химических реакторах

Разработчики: Мигун А.Н. и Чернухо А.П.

 

     Программный комплекс KinTool предназначен для исследования кинетических механизмов и позволяет моделировать изменение концентраций химических компонент во времени при постоянном давлении или объеме в адиабатических или изотермических условиях. Входными параметрами являются концентрации компонент и термодинамические параметры системы. Математически задача формулируется следующим образом:

где t – переменная интегрирования, время; Т – температура газовой смеси; Y_i – массовая доля i-го компонента; r - массовая плотность; c_p - удельная теплоемкость при постоянном давлении; w_i – молярная скорость образования компонента; h_i – удельная энтальпия компонента; m_i – молекулярный вес компонента.

     Входной файл представляет собой набор текстовых строк. Каждая строка должна начитаться с четырехбуквенного ключевого слова или символа комментария ‘!’ или ‘/’. Регистр символов входного файла значения не имеет. После ключевого слова обычно следует параметр, соответствующий этому ключевому слову. Список всех ключевых слов с описанием приведен ниже в таблице.

Параметры программы KinTool

Ключевое слово	Описание	Параметр
CHEM	Полное имя файла с описанием кинетического механизма	строковый
THRM	Полное имя файла с описанием термодинамических свойств компонент	строковый
OUTF	Полное имя файла для вывода дополнительной информации	строковый
PRES	Давление в атмосферах	вещественный
TMP1	Нижняя граница температурного диапазона вычислений	вещественный
TMP2	Верхняя граница температурного диапазона вычислений	вещественный
TMP3	Температура «холодного старта»	вещественный
DTMP	Шаг изменения температуры	вещественный
CONV	Расчет при постоянном объеме, иначе – при постоянном давлении	-
CONT	Изотермический расчет, иначе - адиабатический	-
ERAT	Эквивалентное соотношение исходной смеси	вещественный
OXID	Имя компонента в составе окислителя и его концентрация	строковый и вещественный
FUEL	Имя компонента в составе топлива и его концентрация	строковый и вещественный
ATOL	Абсолютная точность вычислений	вещественный
RTOL	Относительная точность вычислений	вещественный
LTCO	Порог для вывода концентраций компонент	вещественный
MRCC	Максимальное относительное изменение концентрации компонент без вывода в файл	вещественный
TIM1	Временная точка для начала вывода в файл	вещественный
TIM2	Временная точка окончания вычислений	вещественный
DTFO	Коэффициент изменения временного шага при отсутствии изменения химического состава	вещественный
SOUT	Имя компонента для вывода	строковый
END	Окончание входного файла параметров	-

     После запуска программы происходит инициализация различных библиотек, графики и разбор входного файла. Если во входном файле не было обнаружено ошибок, появляется окно, изображенное на рис. 1. Одновременно начинается моделирование химических превращений в системе согласно заданным начальным условиям и оперативное их отображение. Если входной файл содержал ошибки, то информация об ошибках будет выведена на консоль, после чего программа завершит выполнение.

     


Рис. 1. Общий вид окна программы с активным графиком температуры

     В левом верхнем углу экрана отображаются начальные значения давления и температуры, в правом – текущее физическое время. Ниже находится строка графических кнопок для переключения между режимами отображения данных. Первая кнопка, “Gas Dyn.”, включает графики давления и плотности газа. Вторая, “Temperat.”, включает отображение графика температуры газа. Кнопка “Chem. G” переключает программу в режим отображения графиков концентраций химических компонент в зависимости от времени, а кнопка “Chem. D” - отображение диаграммы концентраций в данный момент времени. Кнопка “Pause” служит для временного останова расчета и последующего его продолжения. Кнопка “Exit” завершает выполнение программы. После окончания расчета программа автоматически переходит в режим останова и вверху экрана появляется надпись “End of calculations”.    

     При активном графике температуры справа от самого графика изображается шкала термометра, на котором отображается значение температуры в данный момент времени. Ниже графического меню имеется текстовая строка, в которой выводятся температура, давление и плотность газовой смеси в данный момент времени. Имеется возможность изменения типа временной оси на логарифмический и увеличение верхнего и нижнего пределов оси с помощью кнопки, расположенной под графическим меню, и стрелок, расположенных непосредственно около соответствующей оси.

     В режиме временного останова расчета возможно также выделение произвольной части графика. Для этого необходимо правым щелчком мыши на оси выделить верхнюю часть выделяемой области и левым щелчком – нижнюю. После описанных манипуляций произойдет изменение пределов соответствующей оси и выделенная область графика будет отображаться на всей площади графика.

     При активном графике концентраций в режиме временного останова расчета можно левым щелчком мыши на имени химического компонента выделить его, при этом его имя появится под кнопкой “Exit”, а ниже отобразится диаграмма, показывающая скорость образования и разрушения данного химического компонента по различным реакциям. Левый щелчок мыши на диаграмме отобразит текстовой строкой вверху экрана соответствующую реакцию. Левый щелчок мыши на поле графика концентраций приведет к смене физического времени для которого происходит отображение зависимых параметров.

Рис. 2. Общий вид окна программы с активным графиком концентраций

 

Рис. 3. Общий вид окна программы с активной диаграммой концентраций

 

     Окно диаграммы концентраций аналогично по функциям предыдущему окну, только вместо временного графика концентраций изображается диаграмма концентраций для текущего момента времени.

     Имя основного файла для вывода указывается за ключевым словом OUTF. В этот файл записывается вся информация из входного файла параметров. После этого записывается состав скомпилированной по заданным параметрам начальной смеси. Далее следуют блоки, описывающие температурную зависимость параметров каждой реакции. После этого записывается история временных шагов и соответствующие температуры газовой смеси. Заканчивается основной выходной файл суммарным временем, затраченным на расчет.

     Более детальная информация о расчетах выводится в файлы с именем, соотвествующем начальной температуре, для которой был произведен расчет и расширением “dat”, которые помещаются в поддиректорию “res”. В начале файла приводится равновесный состав, рассчитанный для начальных условий с помощью описанного выше метода. Затем приводится блок основных начальных условий. После этого выводится подробная временная история расчета с указанием температуры газа и молярной концентрацией всех компонент, указанных во входном файле.

     В программе реализован алгоритм комплексной проверки правильности механизма, основанный на контроле констант скоростей всех химических реакций в предполагаемом для использования диапазоне температур. Один из способов контроля представляет собой сравнение рассчитываемых предельных газокинетических значений констант скоростей для реакций второго и третьего порядка с заданными в механизме константами скоростей. Если для какой-либо области диапазона температур константа скорости некоторой реакции превышает газокинетический предел, данная реакция отмечается как проблемная и выносится в отдельный файл для дальнейшего анализа.

     При загрузке программы происходит автоматическая проверка загружаемого кинетического механизма на корректность и при обнаружении проблемных реакций выдается соответствующее сообщение. Детальная информация о проблемных реакциях записывается в файл “problem.txt”.

     Для получения дополнительной информации о программе KinTool обращайтесь к разработчикам.

     В настоящее время заканчивается разработка графической оболочки для программы KinTool которая предоставляет удобные возможности по заданию параметров расчета, а также создавать проекты для различных расчетов.