NASA CEA を使う2016年4月5日 | ||||||||||||
はじめにNASA CEA (Chemical Equilibrium with Applications) は化学平衡計算プログラムである。 セットアップNASA CEA のサイト の "REQUEST FORM" からプログラムを入手する。マニュアルは "WHAT IS CEA ?" から入手できる。 ここでは Windows 環境とする。以下のファイルをダウンロードする。
GUI の実行には Java (JRE) が必要なので、あらかじめインストールしておく。 適当なフォルダを用意し、パッケージを展開して中に以下のファイルを入れる。
コマンドの確認NASA CEA をインストールしたフォルダで、コマンドプロンプトを起動する。FCEA2 を実行して、"cea2" と入力する。 C:\CEAexec>FCEA2 ENTER INPUT FILE NAME WITHOUT .inp EXTENSION. THE OUTPUT FILES FOR LISTING AND PLOTTING WILL HAVE THE SAME NAME WITH EXTENSIONS .out AND .plt RESPECTIVELY cea2 "cea2.out" というファイルができれば OK。 GUI の確認"CEAexec-win.bat" をダブルクリックすると、GUI が起動するはずである (ここで起動しない場合は Java の問題と思われる)。メニュー[File]-[Open]で "cea2.inp" を選択する。メニュー [Activity]-[Execute CEA2] を選択する。"cea2.out" の画面が出てくれば OK。 化学平衡計算Versteeg らの『数値流体力学 第2版』に掲載されている例を実行してみる。当量比 1.25 のメタンと空気が 1600 K、1 atm で燃焼するときの生成物の組成を求める。 入力ファイルは "*.inp" というファイルである。ここでは次のようなものになる。 ch4_air_tp.inp prob tp p,atm=1 t,k=1600 react name=CH4 moles=1.00 name=O2 moles=1.60 name=N2 moles=6.016 only CO2 CO H2O H2 N2 end "tp" は温度と圧力を指定する設定である。続いて圧力と温度を指定している。 "react" の下には反応物が列挙されている。メタンの完全燃焼は次のように表される。 CH4 + 2(O2 + 3.76N2) = CO2 + 2H2O + 2×3.76N2 ここで、N2 の係数は O2 と N2 の比率を 0.21 : 0.79 とした場合の 0.79/0.21 = 3.76 である。メタン 1 kg 当たりの空気の量 (空燃比、ここでは理論空燃比) は、空気の平均分子量を 0.21×32 + 0.79×28 = 29 として、(A/F)st = 2×29×(1 + 3.76)/16 = 17.26。空気比は α = 1/φ = (A/F)/(A/F)st (ここでφは当量比) なので、(A/F) = (A/F)st/φ = 13.81。(A/F) = (a×29×(1 + 3.76)/16 = 13.81 なので、a = 1.6。当量比 1.25 でメタンと反応する空気の係数は 1.6 である。そのため、上の設定では O2 の moles に 1.6、N2 の moles に 1.6×3.76 = 6.016 を設定している。 "only" の下には生成物を指定している。解離を考慮して CO と H2 を入れてある。 計算結果は次のようになる。 ch4_air_tp.out (一部) MOLE FRACTIONS *CO 0.04618 *CO2 0.06474 *H2 0.04255 H2O 0.17927 *N2 0.66726 文献の結果をモル分率に変換すると、次表のようになる。だいたい同じ値になっている。
上の問題は、実は設定をもう少し簡単に書ける。 ch4_air_tp2.inp prob tp p,atm=1 t,k=1600 phi,eq.ratio=1.25 react fuel=CH4 wt%=100 oxid=Air wt%=100 only Ar CO2 CO H2O H2 N2 end 当量比を "phi" で指定している。"fuel" と "oxid" を指定しており、"oxid" に "Air" を指定している。"Air" には Ar が含まれるため、生成物に含めている (そうしないとエラーになる)。 計算結果は次のようになる。 ch4_air_tp2.out (一部) *Ar 0.00791 *CO 0.04613 *CO2 0.06479 *H2 0.04239 H2O 0.17890 *N2 0.65989 Ar を N2 に足してしまえば、はじめのものとほぼ同じ結果になっている。 圧力、温度の指定は 1 つでなくてもよい。たとえば、次のように温度を複数指定することもできる。 ch4_air_tp3.inp prob tp p,atm=1 t,k=1000,1200,1400,1600,1800,2000 phi,eq.ratio=1.25 react fuel=CH4 wt%=100 oxid=Air wt%=100 only Ar CO2 CO H2O H2 N2 output plot t Ar CO2 CO H2O H2 N2 end この場合、計算結果は次のようになる。 ch4_air_tp3.out (一部) P, BAR 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 1.0132 T, K 1000.00 1200.00 1400.00 1600.00 1800.00 2000.00 ... MOLE FRACTIONS *Ar 0.00791 0.00791 0.00791 0.00791 0.00791 0.00791 *CO 0.02452 0.03424 0.04119 0.04613 0.04971 0.05237 *CO2 0.08640 0.07667 0.06972 0.06479 0.06121 0.05855 *H2 0.06400 0.05427 0.04732 0.04239 0.03881 0.03615 H2O 0.15729 0.16701 0.17396 0.17890 0.18248 0.18514 *N2 0.65989 0.65989 0.65989 0.65989 0.65989 0.65989 また、設定の "output" で "plot" を指定しているため、".plt" ファイルも出力される。次のような内容になっている。 ch4_air_tp3.plt # t Ar CO2 CO H2O H2 N2 1.0000E+03 7.9144E-03 8.6397E-02 2.4516E-02 1.5729E-01 6.3998E-02 6.5989E-01 1.2000E+03 7.9144E-03 7.6672E-02 3.4240E-02 1.6701E-01 5.4274E-02 6.5989E-01 1.4000E+03 7.9144E-03 6.9722E-02 4.1190E-02 1.7396E-01 4.7324E-02 6.5989E-01 1.6000E+03 7.9144E-03 6.4785E-02 4.6127E-02 1.7890E-01 4.2387E-02 6.5989E-01 1.8000E+03 7.9144E-03 6.1207E-02 4.9706E-02 1.8248E-01 3.8808E-02 6.5989E-01 2.0000E+03 7.9144E-03 5.8547E-02 5.2366E-02 1.8514E-01 3.6149E-02 6.5989E-01 # t Ar CO2 CO H2O H2 N2 断熱火炎温度の計算再び『数値流体力学 第2版』の例にならって、断熱火炎温度を計算してみる。標準温度と標準圧力において、CH4 と空気の量論比の燃焼に対する断熱火炎温度を計算する。文献では 2288 K である。 断熱火炎温度を求めるには、"tp" の代りに "hp" を用いる。 ch4_air_hp.inp prob hp p,atm=1 phi,eq.ratio=1 react fuel=CH4 wt%=100 t,k=298.15 oxid=Air wt%=100 t,k=298.15 only Ar CO2 H2O N2 end "react" で指定している温度は、それぞれの初期温度である。計算結果は次の通り。 ch4_air_hp.out T, K 2326.35 参考
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