目的：介绍Cantera在连续搅拌釜式反应器中模拟氢和氧溶液的应用。
所用模块：Materials Visualizer、Cantera
前提条件：无
连续搅拌釜式反应器（CSTR）是一种理想的反应器，由完全混合的气体组成。这意味着假设CSTR内的溶液在所有点上都是相同的，并且反应器内没有质量累积。
真实的CSTR不符合这一理想假设，但这一概念在整个生物和化学工业中都得到了应用，例如在酿造、抗生素生产和生物柴油生产领域。在此处模拟计算的结果可用于估算此类工艺的产量和操作条件。本教程涉及模拟燃烧过程。实验测定气体混合物中的点火延迟时间很困难，也相当危险，但精确的模拟与实验结果能够很好地吻合(Maas&Warnatz, 1988)。
在本教程中，您将学习如何使用Cantera模块在恒温和绝热条件下模拟连续搅拌釜式反应器（CSTR）中的氢和氧溶液。
注意：为了确保您可以完全按照预期的方式学习本教程，您应该使用“设置管理器（Settings Organizer）”对话框确保项目中所有参数都设置为BIOVIA的默认值。
首先启动Materials Studio并创建一个新项目。
打开“新建项目New Project”对话框，输入cstr作为项目名称，单击OK按钮。
在Project Explorer中将会显示项目名cstr。在本教程中，将使用氢和氧的溶液。
单击“导入Import”按钮
打开“导入文档Import Document”对话框。导航到Examples/Cantera文件夹，将文件类型过滤器更改为All Materials Studio文件，然后双击MS_h2o2.std。
将打开一个显示Cantera所需的数据的数据表。本数据表包含GRI Mechanism 3.0（GRI-MECH 3.0）中反应的子数据集合、使用NIST Chemistry WebBook标准焓的参考化合物以及Materials Studio中计算的化合物数据。
Species选项卡包含元素氢和氧以及它们自身和共同形成的化合物的数据。数据还包括氩，它会参与一些三元反应。MS_h2o2.std中的Species选项卡上有九列：
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Structure结构：存储代表每个化合物的原子文档。Cantera将此信息用于化合物种类识别（如果可用），并且也可用于可视化显示。
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Name名称：每种化合物的标识字符串。Cantera模块就是这样区分化合物种类的，所以每种化合物的名称都必须唯一。
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Phase相：描述每种化合物的相。
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Atoms原子：每种化合物的原子组成，其形式为A:n B:m。
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Standard enthalpy of formation标准生成焓：每种化合物的生成焓，由NASA多项式在298.15 K下估计的焓值确定。
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Duplicate副本：如果化合物是需要副本的，例如，相同化合物处于不同的自旋状态，则Duplicate中应写入字符串。可以使用任何字符串来成功验证数据表处于不同状态的化合物，但建议使用描述性的内容。
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Thermo热学量：NASA多项式，Cantera在模拟过程中使用该多项式计算热力学性质。
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Transport传输：化合物气体传输特性的数据，用于模拟反应器网络。
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Note注释：可以写入任何附加信息，在MS_h2o2.std中，写入了DMol3模块结构优化设置的参数。
查看Species选项卡上Note列的内容。此列为利用DMol3模块计算每个特定化合物的详细信息。
Reference选项卡为具有已知标准生成焓的所有化合物，且包括反应机理中使用的每种元素。
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D列为在298.15 K下未修正NASA多项式得出的结果。
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通过查看第E列和第F列之间的差异，可了解了参考能量的精度。
参考化合物的目的是确保Species选项卡上的NASA多项式（用于计算每种物种的热力学性质）可在通用能量标度上进行评估。
Reactions选项卡包含Species选项卡中列出的种类之间可能发生的反应的数据。
查看Reactions选项卡上Note列的内容。本栏列出了用于获得反应速率系数的数据的文献和方法参考。
一般来说，可以在计算过程中跟踪特定数据集合的历史记录，这可以在反应机制文档中的注释列中得以实现。
在列标题G上单击鼠标右键，然后从快捷菜单中选择根据内容确定尺寸Size to Contents。
NASA多项式是根据经验计算的，仅在特定的温度范围内有效，对于每种化合物可能不同，因此必须进行检验，因为超出多项式适用范围的模拟是无效的。
每个NASA多项式由两组两个数组组成（如MS_h2o2.std所示）。每个数组中的第一个数组只包含两个数值，即多项式的温度下限和温度上限。第二个数组由七个数值组成，它们是多项式系数。
MS_h2o2.std中的第三行为氢（H2），第一个NASA多项式的温度范围为[200.00, 1000.00]，第二个NASA多项式的温度范围为[1000.00, 6000.00]，因此可以在200-6000 K范围内可以可靠地模拟H2。事实上，MS_h2o2.std中的所有化合物均有此范围。
3、设置Cantera反应动力学计算
MS_h2o2.std中的数据将用作Cantera模块的输入。
单击Modules工具栏上的Cantera按钮
，然后选择Calculation或从菜单栏中选择Modules | Cantera | Calculation。
这将打开Cantera Calculation对话框。
从任务Task下拉列表中选择CSTR，并确保在气体Gas部分中选择摩尔分数Mole fraction。
从化合物种类Species下拉列表中选择H2，然后在下一个新创建的行中选择O2。
将H2的分数Fraction设置为2，将O2的分数Fraction设置为1。
将温度Temperature设置为960 K，并将压强Pressure更改为101325 Pa。
点击More…按钮打开Cantera CSTR对话框，将输出时间窗口Output time window设置为50秒，时间步长Time step设置为0.5，然后关闭对话框。
Cantera Calculation对话框将如下所示。
接下来，使用这些输入的参数运行默认的CSTR计算。
选择Job Control选项卡并查看设置，选择适当的网关位置Gateway location和队列Queue。单击Run按钮并关闭对话框。
在Project Explorer中会打开一个名为MS_h2o2 Cantera CSTR的新文件夹，服务器将运行一个Cantera计算任务，只需几秒钟即可完成。等待作业完成并下载结果，然后继续下一步。
在Project Explorer中，右键单击MS_h2o2 Cantera CSTR并从快捷菜单中选择重命名Rename。将名称更改为Isothermal。
从菜单栏中选择File | Save Project保存项目。
计算任务完成时，将打开一个名为MS_h2o2.txt的文本文档，内容包括Python已经启动并成功完成的通知，以及关于氢氧溶液初始状态和最终状态的热力学性质的总结。从这些结果中可以看出，溶液的温度在960 K时没有变化。默认情况下，Cantera模块假设体系置入固定温度的热浴中。
除了计算参数文件（MS_h2o2 – Calculation）和输入数据表之外，在Isothermal文件夹中创建了另外三个文件，即MS_h2o2.cti，MS_h2o2.py和数据表MS_h2o2 Results.std。
双击打开Project Explorer中的MS_h2o2.cti。
.cti文件为Cantera Calculation对话框的输入数据，是Cantera自身可读的格式。它作为特定计算的输入记录保存。
关闭MS_h2o2.cti并双击打开Project Explorer中的MS_h2o2.py。
Materials Studio创建了Python脚本和Cantera输入文件MS_h2o2.cti。
Materials Studio包括一个完整的Python编译器，并在该环境中运行Cantera。文件MS_h2o2.txt是来自编译器的标准输出流。
双击打开Project Explorer中的MS_h2o2 Results.std。
选择A列时间Time (s)，按CTRL键并选择C列压力Pressure (Pa)。单击“快速绘图Quick Plot”按钮
。在Project Explorer中右击MS_h2o2 Results Scatter plot.xcd，并将其重命名为pressure.xcd。
因此，压强下降是由于2摩尔H2加1摩尔O2只产生2摩尔H2O这一事实引起的。
双击MS_h2o2 Results.std以使其成为当前文档，并选择A列时间Time、D列比焓Specific Enthalpy (J/kg)和E列比焓率Specific Enthalpy Rate (J/kg s)。
单击“快速绘图Quick Plot”按钮。在Project Explorer中右键单击MS_h2o2 Results Scatter plot.xcd，并将其重命名为heat.xcd。
双击MS_h2o2 Results.std使其再次成为当前文档，选择N列Ar质量分数Mass fraction Ar，然后按住SHIFT键并单击以选择O2质量分数Mass fraction O2的N到F所有列。按CTRL键并单击以另外选择A列时间Time (s)。
单击“快速绘图Quick Plot”按钮。
该图显示了MS_h2o2.std数据集合中考虑的每种化合物的质量分数。它证实了heat.xcd的观察结果，即H2和O2缓慢反应，稳定生成H2O。虽然在高中化学实验中见过的这种类型的反应，和此处所描述的缓慢和可观察的反应动力学截然不同的效果。
在Project Explorer中右键单击MS_h2o2 Results Scatter plot.xcd，并将其重命名为fractions.xcd。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
先前的计算过程缓慢稳定地产生水，但由于该计算中使用的边界条件，没有任何爆炸性燃烧的迹象。温度保持恒定，以使反应产生的任何热量瞬间从容器中排出。因此，混合物不能达到自燃温度，也不会像实验中预期的那样爆炸燃烧。在Cantera中，通过在计算过程中保持所有热量储存在体系中且容器绝热，可以放松该边界条件。
双击Project Explorer中的MS_h2o2.std打开它。打开Cantera Calculation对话框，确认参数设置与之前相同：温度Temperature为960 K，压强Pressure为101325 Pa。单击More…按钮并设置输出时间窗口Output time window从0到50秒，时间步长Time step为0.5秒。
在Cantera CSTR对话框中，取消选中等温Isothermal并关闭对话框。
将创建一个新文件夹MS_h2o2 Cantera CSTR，并在几秒钟后完成计算任务。
计算完成后，右键单击Project Explorer中的文件夹MS_h2o2 Cantera CSTR，并将其重命名为Adiabatic_Coarse。
双击打开Project Explorer中的Adiabatic_CoarseMS_h2o2 Cantera FilesMS_h2o2.txt，使其成为当前活动文档。
查看该文件中的氢和氧溶液初始和最终状态的热力学结果将发现，在该模拟过程中，温度升高至3220 K左右。重命名包含第一个绝热模拟的文件夹，以避免与以后的结果混淆。
双击打开Project Explorer中的Adiabatic_CoarseMS_h2o2 Results.std。
使用与上述相同的方法创建压强、比焓和比焓率以及质量分数的曲线图，并对其进行适当重命名。
此外，在Adiabatic_CoarseMS_h2o2 Results.std中，选择A列时间Time和B列温度Temperature (K)。
将得到的曲线图文件重命名为temperature.xcd。
从这些图中清晰可见，点火发生在约第26秒之前，这与更加符合H2和O2混合物点燃时爆炸的预期。Cantera使用可变时间步长积分方法，这意味着最终状态可以精确表示体系状态。然而，在目前的计算中，难以与反应的实际时间尺度相对应。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
在本节中，我们将使用CSTR对话框上的控件放大点火点并进行详细分析，同时运行与之前相同的整体模拟。Cantera使用自适应阶跃积分方法执行时间积分，该方法可在初始时间后开始输出，并在任何需要高分辨率的时间获得结果。综上所述，初始时间约为25.5秒，运行时间为1秒，时间步长为0.001秒，这似乎是反应中阶跃变化放大的合理起点。
打开Cantera Calculation对话框，然后单击More …按钮打开Cantera CSTR对话框。
将输出时间窗口Output time window从25.5秒更改为26.5秒，并选择0.001秒的时间步长。
计算完成后，通过绘制与上述相同的曲线图来分析结果。仍然会观测到温度和反应物行为的剧烈阶跃变化。通过连续放大时间间隔，能够将反应动力学分解为发生爆炸发生的亚微秒时间尺度。
反复修改Cantera运行的开始和结束时间以及时间步长，以找到主要反应发生的时间间隔。可以把反应分解到1e-7s左右的时间步长。
可见主要反应发生在接近25.65969-25.65979 s的时间间隔内，这可以通过缩放精确至1e-7 s的时间步长。
在Project Explorer中的最终结果文件夹上单击鼠标右键，并将其重命名为Adiabatic_Zoom。
双击Project Explorer中的MS_h2o2 Results.std打开它。
使用与前面相同的步骤，创建温度temperature、压强pressure、比焓specific enthalpy和比焓率specific enthalpy rate以及质量分数mass fractions的曲线图，并适当命名。
在新得到的数据中，可以非常清楚地看到氢氧混合物的燃点，特别是通过观测最大比焓率曲线。
从菜单栏中选择File | Save Project，然后选择Window | Close All。
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