Cantera is an open-source suite of tools for problems involving chemical kinetics, thermodynamics, and transport processes.

cantera提供了多种语言的接口，支持包括C++、MATLAB和python等语言在内的主流语法。其中以MATLAB和python用户居多。本人主要基于python语法进行cantera的有关开发。

为什么选择cantera？

开源！免费！作为开源的资源库，cantera提供了基本的热力学、动力学以及反应器的类，我们可以在其基础上开发符合自己需求的模型，满足我们独特的需求。相对的，诸如chemkin这类封装完整的付费软件，用户自主修改的自由度几乎为零（当然，大部分情况下，该软件已经很成熟和稳定，不需要额外修改）。

对于非均相的体系，目前（截止2022年5月）没有比较成熟的模拟软件，尽管有KIT-Olaf团队的DetChem这类开发许久（20世纪90年代开始）的封装程序，但是仍然不成熟，在微分方程求解和反应器模拟中仍然有很多不足。cantera恰恰可以提供一个用户自己开发的途径。

cantera案例分析

参考：燃烧反应动力学（课程）（齐飞，李玉阳）和燃烧反应动力学（参考书）（齐飞，李玉阳，苑文浩）

C0-C4基础燃料反应机理

氢气机理

已经确认的比较重要的20个反应

自由基与分子置换反应：
$$
\ce{H + O2 = O + OH}\tag{1}
$$

$$
\ce{O + H2 = H + OH}\tag{2}
$$

$$
\ce{OH + H2 = H + H2O}\tag{3}
$$

$$
\ce{O + H2O = OH + OH}\tag{4}
$$

HO2的反应：
$$
\ce{H +O2 +M = HO2 +M}\tag{5}
$$

$$
\ce{HO2 +H = OH +OH}\tag{6}
$$

$$
\ce{HO2 +H = H2 +O2}\tag{7}
$$

$$
\ce{HO2 +H = H2O +O}\tag{8}
$$

$$
\ce{HO2 +O = OH +O2}\tag{9}
$$

$$
\ce{HO2 +OH = H2O +O2}\tag{10}
$$

H2O2的反应：
$$
\ce{HO2 +HO2 = H2O2 +O2}\tag{11}
$$

$$
\ce{OH +OH (+M) = H2O2 (+M)}\tag{12}
$$

$$
\ce{H2O2 +H = HO2 +H2}\tag{13}
$$

$$
\ce{H2O2 +H = H2O +OH}\tag{14}
$$

$$
\ce{H2O2 +OH = H2O +HO2}\tag{15}
$$

$$
\ce{H2O2 +O = OH +HO2}\tag{16}
$$

自由基与自由基的复合反应：
$$
\ce{H +OH +M = H2O +M}\tag{17}
$$

$$
\ce{H +H +M = H2 +M}\tag{18}
$$

$$
\ce{O +O +M = O2 +M}\tag{19}
$$

$$
\ce{H +O +M = OH +M}\tag{20}
$$

氢气机理解析

Combustion Chemistry of Aromatics

芳香族是输运替代燃料重要组成部分。

R：烷基

反应类型

高温反应类型：

1. C-C和C-H键解离反应
2. H原子提取和复分解反应
3. 本位取代反应

软件安装指南：

参照公众号指南：Vm虚拟机安装Linux系统教程

网络配置问题：

虚拟机运行后，很可能会出现网络无法使用的问题，此处陈列遇到的问题以及对应解决方法。
参考该文，重置网络配置解决，简单粗暴：解决VMware虚拟机无法联网问题

相关报错信息与解决方案：

报错：Ubuntu16.04安装vim出错：E: 软件包vim没有可供安装的候选者

解决：系统升级后再安装

1
2

sudo apt-get update
sudo apt-get upgrade

解决Ubuntu使用ROOT账户登录图形界面报错认证失败

• 登录普通用户使用sudo或sudo -i切换到root用户打开终端执行命令

  输入sudo passwd root

  跟着命令提示,首先输入此账户的密码,再设定Root密码,确认Root密码

  然后使用su命令配合刚刚设定的密码登录root账户(必须)

• 在终端中以文本模式修改配置文件,可使用vi/vim/gedit来操作,考虑到新系统没安装vim,同时Ubuntu的vi工具又贼难用,本文以gedit命令做示范,执行:

  gedit /etc/pam.d/gdm-autologin

  在打开的文本编辑器中使用”#”来注释掉下列命令(就是在前面加一个#号)

  auth required pam_succeed_if.so user != root quiet_success

  保存并退出,继续在终端执行

  gedit /etc/pam.d/gdm-password

  注释掉同一句话,保存并退出,继续在终端执行

  gedit /root/.profile

  将内容中的”mesg n || true”修改为

  tty -s&&mesg n || true

• 终端执行reboot重启系统

  在登录账号选择界面选择未列出

  账户填root密码即为第一步设定的密码

linux常用命令

新建文件 ：touch 文件名.txt
执行.pl文件：./文件名.pl
解压缩tar文件：tar -xf 文件名

虚拟机与主机实现交互（自由复制粘贴）

按照VMware提示安装好VMware Tools（必须弹出原有的CD占用）

安装完成后重启即可实现自由复制粘贴（在虚拟机复制–>在主机粘贴 或 在主机复制–>在虚拟机粘贴）

催化反应动力学研究课题组：

KIT-Olaf团队
微观催化反应动力学多尺度建模

ivofilot团队
理论与计算化学

Schimdt团队
下一代从头计算力场开发
微观动力学模拟
金属有机骨架成核与结晶

Vlachos团队
循环经济和各种原料的衍生化，包括生物质、食物垃圾、其他废物流和塑料，以生产可再生燃料、化学品和绿色氨。它集成了分子水平催化、动力学和反应机理、催化剂信息学和硅材料预测、催化剂活性中心测定、连续强化化学处理和化学过程电气化。

Wintterlin团队
表面动力学
钴模型催化剂上的费托合成
银催化乙烯环氧化
金属表面外延石墨烯

实用工具：

多相催化反应机理自动生成工具：RMG-Cat

参数设置要点

TROE表述

机理文件中的速率方程不仅仅可以用常规阿累尼乌斯公式，也可以使用TROE表达方法。
详见：manual2.8 P29

机理文件

机理文件行和行之间留空行会导致报错！
Troe定义的时候务必记得露头出来（TROE空格一个即可写入第一个数据）

慎重用制表符！建议只使用多个空格键！

常见问题&解决方案

ERROR: multiple definition of collision efficiency

碰撞系数多重定义
暂时处理办法，通过测试删除一些较大的原子

不能算完整个管道

往往是pack的实验参数不合适

同时采用不绝热条件和非等温条件报错

形如No correlations available for Nu calculation:Re
考虑两点：

• <wall></wall>中的三个参数是否进行设置，注意不能设置管壁厚度为0，否则绝热条件失效
• 通过测试，particle_dia会显著影响是否能进行计算，目前的折中办法是考虑改变该参数数量级，减少小数位数

报错时考虑的重要命令：dos2unix

POTCAR中常用参数说明：

• VRHFIN 用来看元素的价电子排布，如果你元素周期表倒背如流，可以忽略这个参数；
• LEXCH 表示这个POTCAR对应的是GGA-PBE泛函；如果INCAR中不设定泛函，则默认通过这个参数来设定
• TITEL 就不用说了，指的是哪个元素，以及POTCAR发布的时间；
• ZVAL 指的是实际上POTCAR中价电子的数目，尤其是做Bader电荷分析的时候，极其重要。
• ENMAX 代表默认的截断能。与INCAR中的ENCUT这个参数相关。

如果想把体系从Cartesian转化为Direct，我们可以算一个单点。因为CONTCAR结果为Direct坐标系

电子结构优化：电子步
几何结构优化：离子步

电子步（SCF）：EDIFF<=>NELM
离子步（结构优化）：EDIFFG<=>NSW

电子迭代自洽算法：DAV（Blocked Davidson algorithm）、RMM（residual minimization scheme）、CG（conjugate-gradient algorithm）等等，在ICNAR中通过ALGO调整

自旋极化参数设置（ISPIN=1，不打开自旋极化；=2打开）：
参照下列情况考虑自旋极化：

• 单原子的计算
• O2分子(基态为三重态)
• 自由基相关的计算
• 含Fe，Co， Ni 的体系
• 要计算的体系具有磁性：顺磁，铁磁，反铁磁等，要打开自旋极化
• 当关注体系的电子性质时，且自己不知道加或者不加的时候，建议加上

改变晶胞对称性对于原子电子结构计算很重要，如果只用对称性参数（ISYM=0时，不考虑对称性）进行描述是不够的（只能起到有限的作用）

ISMEAR：
金属体系：
ISMEAR一般用ISMEAR=0 或者整数1，2即可。
SIGMA =0.1 足够
气相分子
ISMEAR=0
SIGMA=0.02参考值（要小一点）

EDIFF&EDIFFG：
分别对应电子步的收敛判据和离子步的收敛判据，其中EDIFFG取1e-5即可，EDIFFG小体系用力的判据，取-0.01即可（注意负号），大体系用能量作为判断依据（1e-4即可，电子步收敛精度*10）

IBRION：
进行分子优化时需要引入
一般来说，优化结构的时候有3个选择：
IBRION=3：你的初始结构很差的时候；
IBRION=2：共轭梯度算法，很可靠的一个选择，一般来说用它基本没什么问题。
IBRION=1：用于小范围内稳定结构的搜索

IBRION=5：振动频率计算，此时POTIM要使用更小的数值，EDIFF需要更严格的值，加上NFREE=2，表示在某方向正反方向运动要（注意：最好把NCORE注释掉，不然只能算一步！）

MAGMOM：
初始磁矩设置，简单的磁性体系，我们可以直接使用ISPIN=2, MAGMOM不必进行设置。不知道体系的磁矩是多少，可以根据原子所处的化学环境， 根据成键情况，大体推测有多少个未成对电子，然后将未成对电子数目*1.5（注意！前面是数目，后面是磁矩）
MAGMOM = 10*-2 ——有10个原子，每个原子的初始磁矩为 -2

POTIM：
计算离子间作用力时，控制优化步离子移动的大小。
应用前提是IBRION=2，如果初始结构较好则随意，初始结构较差需要设置小一点（POTIM=0.05可以作为参考值）

ENCUT：
1.3*EMAX即可

ISTART：
0 ：自动生成波函数（轨道）
1 ：读取WAVECAR中的轨道信息,读不到就自动生成，根据新的设定重新生成平面波基组。
2 ：读取WAVECAR中的轨道信息，读不到就自动生成，使用旧的平面波基组。

NCORE：
大师兄经验：NCORE = 单个节点核数 / 2 的时候，运行最省时间，设置也最方便。上交超算用40/2=20。计算频率的时候注释掉！（不然只能算一步，原因不明）。（计算单点的时候也注释掉！不然会出问题）（慎重使用！建议不用！）

从chemspider获取PSOCAR的时候，注意给的坐标是笛卡尔（Cartesian）还是分数坐标（Direct），分数坐标各个元素均小于1。

原子固定操作：

1. 元素数目之后加入select关键字S
2. 通过对应原子坐标最后T/F的设置控制固定（F）与放松（T）

振动频率计算要点：

conventional cell和primitive cell的区别：
conventional cell是搞晶体材料的经常用的，其特点是所选的cell在视觉上有非常好的对称性，但里面会存在重复的原子。也就是说，它不是晶体最小的重复单元。（一般用conventional cell）
primitive cell是晶体最小的重复单元。

关于K点设置的经验：
K * a = 45左右之间完全可以满足要求

LREAL：
确定投影在实空间求值（Auto等）还是在倒易空间（.FALSE.）求值
我们建议对包含20个以上原子的系统使用实空间投影方案。我们还建议只使用LREAL=Auto（对于版本VASP.4.4和更新的版本）和LREAL=On（对于所有其他版本）…通常使用LREAL=Auto可以获得最佳性能，但如果性能不是那么重要，也可以使用LREAL=.TRUE。
计算时要根据原子数的多少，以及后续的计算选择LREAL的值。不能拿LREAL=.FALSE.和LREAL=ON/.TRUE.计算的结果进行能量比较。

NELM：
设置电子SC（自一致性）步骤的最大数量（默认60）。通常，不需要更改默认值：如果自一致性循环在60个步骤内没有收敛，它可能根本不会收敛。在这种情况下，您应该重新考虑标记IALGO或ALGO、LSUBROT和混合参数。

ALGO：
指定电子最小化算法。或选择GW计算的类型。计算不收敛的时候多尝试修改这个参数。

ISIF：
是否计算应力张量。常用ISIF=2/3，使用时候需要增加ENCUT来减少误差【针对晶格常数！】。

一旦我们计算完成晶格常数的计算后，可以在此结果基础上，统一使用其他的ENCUT值进行计算。也就是只有确定晶格常数的这一步是个例外，其他情况还是用原来的值。使用ISIF = 3 时，你脑子第一反应就是疯狂地增加ENCUT，600不够，上700， 700感觉不够，上800，在计算承受的范围之内，越大越好！ 因此ISIF = 3 和 ENCUT两个参数必须同时出现。
晶胞优化的时候，一般用ISIF=3；
slab 模型优化的时候，我们用ISIF =2 ，也就是VASP的默认值，不用设置。

Slab模型说明：
Slab模型有两种，一种是上下表面对称的，一种是非对称的。对称性结构往往需要很多层，体系较大。 非对称的结构体系较小，但存在偶极矩的影响，要注意加LDIPOL 和IDIPOL这两个参数来消除:
块体材料计算时，为了后续计算其他性质，常常要求整个计算中使用相同的ENCUT，ENAUG， PREC， LREAL， ROPT。
一般来说用Conventional cell， FCC的金属可以用Primitive Cell 但对于其他体系，通过Primitive Cell切出来表面模型有问题。
偶极矫正：LDIPOL = .TRUE. ; IDIPOL = 3 Slab模型一般都需要加上这个参数
优化模型的时候需要考虑固定底层原子！在真实的环境下，催化剂体相看做是不变的，只有表面的原子参与催化反应。

Slab固定说明：
VASP中固定原子需要在POSCAR中进行操作。有两个关键点：
1）在POSCAR的第7行后添加一行，改行内容为Selective Dynamics，VASP只认第一个字母，你可以直接在这一行只加 S或者s。也可以换成其他的S开头的单词，比如SB，Sexy BigBro ， Super BigBro等等；
2）在原子坐标后面加上 F 或者 T 表示固定或者放开，因为坐标有xyz三个数值，因此我们需要三个F或者T。我们可以通过设置允许原子在某一方向上移动，而其他方向上固定。
F F F表示xyz全部固定；
T T T 表示xyz全部放开，
F F T 表示 xy方向固定，只允许原子在z方向上移动。

PREC：
确定计算的精度模式，常常与ENCUT兼容使用。PREC=High；ENCUT=1.3Emax；
计算频率的时候 PREC=Normal（vasp5.默认）

ICHARG：
ICHARG确定VASP如何构造初始电荷密度。
Default: ICHARG = 2 if ISTART=0

LCHARG&LWAVE：
LCHARG determines whether the charge densities (files CHGCAR and CHG) are written.
LWAVE determines whether the wavefunctions are written to the WAVECAR file at the end of a run.

常用公式测试

• 数学公式

  $A_1^2+B_2^2=C_3^2$