从此轻松入门Fluent表面化学反应模拟仿真（附视频教程）

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导读：大家好，我是仿真秀专栏作者—【仿真美】。本科专业为热能与动力工程（水机方向），硕士专业为流体机械（泵方向）。船舶燃油系统燃油泵（齿轮泵）、滑油系统滑油泵（齿轮泵）、冷却系统海、淡水泵（离心泵）的产品开发设计、仿真、售后处理等工作。从事燃油系统设备技术要求、产品规范等文件编制，泵阀等产品的国产化。

近日，我的仿真秀技术专栏【仿真美】，发布了多套基于Fluent的专题案例教程，内容涵盖表面化学反应模拟、粒子流动、自由表面流动、机翼超音速流动、催化转化器内多孔介质流动数值模拟、气穴现象的数值模拟、封闭管道内的气体燃烧、爆炸、水中气泡过程破碎数值模拟和多孔介质燃烧数值模拟深受用户好评，欢迎点击文尾阅读原文关注我的仿真专栏。

本文是笔者原创首发仿真秀官网的—表面化学反应专题课程《基于Fluent反应器混合气体表面化学反应模拟仿真全解》Step by step文字版讲解。如有不当，欢迎读者批评指正。识别下方二维码可查看视频讲解版本，笔者也还阅用户答疑解惑。

表面化学反应模拟视频讲解

一、表面化学反应模拟的应用价值

本教程以 Fluent 软件为核心工具，聚焦反应器中混合气体从入口流入，经旋转盘时表面发生化学反应过程的模拟分析，目前在多个领域展现出显著的应用价值与丰富的应用场景。

本教程是化工、能源、环境等专业的优质实践教学资源。学习者通过学习，能直观理解复杂的化学反应工程原理。传统课堂上，反应器内的流场分布、浓度变化和化学反应过程往往难以具象化，而借助 Fluent 软件模拟，学生可以通过三维可视化界面，清晰观察混合气体在反应器内的流动轨迹、温度梯度变化以及化学反应的动态进程，有效弥补理论教学的抽象性，提升学生对专业知识的理解深度与应用能力。同时，教程中的模拟操作训练，能帮助用户掌握 Fluent 软件的使用技巧，培养数值模拟和工程分析能力，为未来从事相关领域的科研与工程实践奠定坚实基础。

本教程所涉及的模拟分析方法是科研人员开展反应器相关研究的得力助手。科研人员在研究新型反应器设计或优化现有反应器性能时，可利用课程所学的模拟技术，在计算机上构建虚拟反应器模型，对不同结构参数、操作条件下的混合气体反应过程进行模拟。例如，在研究新型催化剂在旋转盘反应器中的应用时，通过调整模拟参数，可快速分析不同催化剂负载量、气体流速对反应效率和产物分布的影响，大幅减少实验次数和成本，加速科研进程，为科研项目的顺利开展提供高效的技术支持。

旋转盘式反应器

除此之外，化工企业在反应器设计、调试和优化时，常受技术难题与成本风险困扰，而 Fluent 软件模拟分析能在项目前期预测评估反应器性能，提前发现潜在问题，优化结构和操作条件。以石油化工行业处理混合气体的旋转盘反应器设计为例，模拟分析可确定气体入口流速、旋转盘转速等最佳参数，保障反应器高效稳定运行，提升产品质量与生产效率，降低能耗和成本；当反应器故障或工艺需改进时，还能辅助定位问题、制定解决方案，确保生产连续性和稳定性。同时，在环保要求趋严的当下，利用 Fluent 软件模拟混合气体在废气处理反应器中的反应过程，可精确分析污染物去除效率，评估不同工艺效果，如在处理工业有机废气的旋转盘反应器中，通过模拟优化反应器内温度、催化剂分布等条件，提高废气净化效率，助力企业实现环保达标排放，推动绿色可持续发展。

二、工况描述

如图 2.1所示的反应器,其中混合气体从入口流入,经过旋转盘时发生化学反应,请用Fluent 模拟分析表面的化学反应过程。

图2.1案例模型

三、启动 Fluent 并导入网格

(1)在 Windows 系统中启动Fluent，进入 Fluent Launcher 界面。

(2)在Fluent Launcher界面的Dimension中选择3D，在Display Options 中选择Display Mesh After Reading 和 Double Precision复选框，单击Start 按钮，进入Fluent 主界面。

(3)在 Fluent 主界面中,选择 File→Read-Mesh 命令,弹出Select File(导入网格)对话框，选择名为bm.msh的网格文件，单击 OK按钮便可导入网格。

(4)导入网格后，在图形显示区将显示几何模型，如图2.1所示。

图2.1几何模型

(5)选择Mesh一Check命令，检查网格质量，确保不存在负体积。

(6)选择Mesh-Scale 命令，弹出如图3.1所示的Scale Mesh(网格缩放)对话框。在 Scaling 中选择Convert Units,Mesh Was CreatedIn中选择cm，单击 Scale 按钮完成网格缩放，在 ViewLength Unit In中选择cm。

图3.1 Scale Mesh 对话框

(7)选择File-Write-Case 命令，弹出 Select File 对话框，在 Case File 中输入 bm,单击OK 按钮，便可保存项目。

四、定义求解器

(1)选择 Setup—General命令，弹出如图3.1所示的General(总体模型设定)面板。在Solver 中，Time 类型选择 Steady。

图3.1 General面板

(2)选择功能区 Physics-Solver→Operating Conditions 命令，弹出如图3.2所示的 Operating Conditions(操作条件)对话框。在Operating Pressure 中输入 10000，选择Gravity 复选框，在Z(m/s?)中输入-9.81，OperatingTemperature 中输入303，单击 OK按钮确认。

图3.2 Operating Conditions 对话框

五、定义能量模型

选择 Setup→Models 命令，弹出如图17-37 所示的Models(模型设定)面板，双击Energy-On选项，弹出如图4.1所示的 Energy(能量)对话框。选择Energy Equation 复选框，单击 OK 按钮确认。

图4.1 Models 面板

图4.2 Energy 对话框

六、定义多组分模型

选择 Setup→Models命令，弹出 Models(模型设定)面板，双击 Species 选项，弹出如图5.1所示的Species Model(多组分模型)对话框。在 Model中选择 Species Transport,在Reactions 中选择 Volumetric 和 Wall Surface 复选框，在 Wall Surface ReactionOptions 中选择Mass Deposition Source 复选框，在 Options中选择Inlet Diffusion、Full Multicomponent Difiusion 和 Thermal Diffusion 复选框，单击OK 按钮确认。

图5.1 Species Models 对话框

七、设置材料

(1)选择 Setup→Materials 命令，弹出如图6.1所示的 Materials(材料)面板，单击Create/Edit按钮，弹出如图6.2所示的Create/EditMaterials(物性参数设定)对话框。

6.1 Materials(材料)面板

图6.2 Create/Edit Materials 对话框

在MaterialType中选择fluid，在 Name 中输入arsine，在Chemical Formula中输入ash3，Cp中选择kinetic-theory, Thermal Conductivity 中选择kinetictheory,Viscosity中选择kinetic-theory, Molecular Weight中输入77.95,Standard State Enthalpy中输入0, StandardState Entropy中输入130579.1,Reference Temperature中输入 298.15，单击Change/Create按钮创建新物质,在弹出Question(对话框中单击 No 按钮，不替换原来的物质。

在Create/Edit Materials(物性参数设定)对话框的 Fluent Fluid Materials 中选择 arsinmsh3),L-J Characteristic Length 中输入4.145, L-J Energy parameter 中输入 259.8，单击change/Create 按钮。

(2)重复第一步，创建其他组分物质，如表6-1所示。

表 6-1 组分物性

(3)如图6.3 Create/Edit Materials(物性参数设定)对话框，在 MateriaType中选择mixture,在Fluent Mixture Materials 中选择gass_deposition,在 Name 中输入 gaas_deposition，单击Change/Create 按钮，在弹出的 Question(疑问)对话框中，单击Yes 按钮。

图6.3mixture-template

单击 Mixture Species 后的 Edit 按钮，弹出如图6.4所示的 Species(组分)对话框。

图6.4 Species 对话框

对Selected Species、Selected SiteSpecies和 Selected SolidSpecies 进行设置，数据如表 6-1所示。单击 OK按钮确认。

表6-1 组分设置

单击 Reaction 后的 Edit 按钮，弹出如图6.5 所示的 Reactions(反应)对话框，在Number ofReactants 中输入 2，对应化学反应的输入数据如表6-2 所示。

图6.5 Reactions对话框

表 6-2 输入数据

这里，PEF=Pre-Exponential Factor, AE=Activation Energy, TE=Temperature Exponent.单击 Mechanism 后的 Edit 按钮，弹出如图6.6所示的Reaction Mechanisms(反应动力学)对话框。在Number of Mechanisms中输入1，Name 中输入gaas-ald，ReactiorType 中选择Wall Surface, Reactions 中选择 gallium-dep 和 arsenic-dep, Number of Sites中输入1,Site Density 中输入1e-08。单击 Define 按钮,弹出如图6.7所示 Site Parameter对话框，在 Total Number of Site Species 中输入 2,Initial Site Coverage 的 ga_s 中输入0.7，as_s中输入 0.3，单击 Apply 按钮确认。

图6.6 Reaction Mechanisms 对话框

图6.7 Site Parameters 对话框

在 Create/Edit Materials(物性参数设定)对话框的 Thermal Conductivity 中选择massweighted-mixing-law,Viscosity 中选择mass-weighted-mixing-law,单击 Change/Create 按钮.

八、边界条件

(1)选择 Setup→Boundary Conditions 命令，打开如图 7.1 所示的 BoundaryConditions(边界条件)面板。

图7.1 Boundary Conditions 面板

(2)双击 velocity-inlet 选项，弹出如图7.2 所示的 Velocity Inlet(边界条件设置对话框。

图7.2 Velocity Inlet对话框

在Velocity Magnitude 中输入 0.02189。

选择 Thermal选项卡，在Temperature 中输入293，如图7.3所示。

图7.3 Thermal选项卡

选择 Species 选项卡，在 ash3 中输入 0.4,gach33 中输入 0.15,ch3 中输入0，单OK 按钮确认，如图7.4所示。

图7.4 Species 选项卡

(3)在 Boundary Conditions 面板中双击 outlet, 弹出如图 7.5 所示的 Pressure Outlet对话框。

保持默认设置，单击 OK按钮确认。

图7.5 Pressure Outlet 对话框

(4)在 Boundary Conditions 面板中双击 wall-1，弹出如图 7.6 所示的Wall 对话框。在Thermal 选项卡的 Thermal Conditions 中选择Temperature,Temperature 中输入473，单击 OK 按钮确认。

图7.6 Wall对话框(一)

(5)在 Boundary Conditions 面板中双击 wa-2，弹出如图 7.7 所示的Wall 对话框( Themal 选项卡的 Thermal Conditions 中选择 Temperature，Temperature中输)343，单击 OK 按钮确认。

图7.7 Wall对话框(二)

(6)在 Boundary Conditions 面板中双击 wal-4，弹出如图7.8所示的Wall 对话框,

图7.8 Wall对话框(三)

在 Wall Motion 中选择 Moving Wall,Motion 中选择 Absolute 和Rotational, Speed 中输入 80。选择Thermal 选项卡，在Thermal Conditions 选择Temperature，Temperature 中输入1023，如图7.9 所示。

图7.9 Thermal选项卡

选择如图 7.10所示的 Species 选项卡，保持默认设置，单击 OK 按钮确认。

图7.10 Species选项卡

(7)在 Boundary Conditions 面板中双击 wall-5，弹出如图 7.11 所示的 Wall 对话框。在 Wall Motion 中选择 Moving Wall,在 Motion 中选择 Absolute 和 Rotational,Speed中输入 80。

图7.11 Wal 对话框(四)

选择如图7.12所示的Thermal 选项卡，在 Thermal Conditions 中选择Temperature,Temperature 中输入 720，单击 OK 按钮确认。

选择如图17-59所示的Thermal选项卡(一)

图7.12 Thermal 选项卡

(8)在 Boundary Conditions 面板中双击wall-6,在Thermal选项卡的Thermal Conditions中选择Temperature,Temperature中输入303，单击OK按钮确认。

(9)选择Define→Models 命令，弹出 Models(模型设定)面板，双击 Species 选项，

弹出Species Model(多组分模型)对话框。

在 Options 中取消选择Inlet Dimusion，单击 OK 按钮确认。

九、求解控制

(1)选择 Solution→Methods 命令,弹出如图 8.1所示的 SolutionMethods(求解方法设置)面板。保持默认设置不变。

图8.1 Solution Methods 面板

(2)选择 Solution→Controls 命令，弹出如图8.2 所示的 SolutionControls(求解过程控制)面板。保持默认设置不变。

图8.2 Solution Controls 面板

十、初始条件

选择 Solution→Initialization命令，弹出如图9.1 所示的 Solution Initialization(初始化设置)面板。在Initialization Methods 中选择 Hybrid Initialization，单击 Initialize 按钮进行初始化。

图9.1 Solution Initialization 面板

十一、求解过程监视

选择 Monitors 命令，弹出如图10.1所示的 Monitors(监视)面板，双击Residual选项，弹出如图10.2 所示的Residual Monitors(残差监视)对话框。保持默认设置不变，单击OK 按钮确认。

图10.1 Monitors 面板

图10.2 Residual Monitors 对话框

十二、计算求解

选择 Solution→Run Calculation 命令，弹出如图 11.1 所示的Run Calculation(运行计算)面板。

图11.1 Run Calculation 面板

在 Numberofiterations中输入300，单击Calculate 按钮开始计算。

十三、结果后处理

(1)选择Results-Reports 命令，弹出如图12.1所示的 Reports 面板。

图12.1 Reports 面板

双击Fluxes 选项，弹出如图12.2所示的Flux Reports(流量结果)对话框，在Boundaries 中选择 velocity-inlet和 outlet,单击 Compute 按钮进行计算。

图12.2 Flux Reports对话框

(2)择 Results→Graphics 命令，弹出如图 12.3 所示的 Graphics and Animations(图形和动画)面板，双击Contours选项，弹出如图12.4所示的Contours(等值线)对话框。在 Contours of中选择 Species 和 Surface Deposition Rate of ga s，在 Options 中选择Filled 复选框，单击 Display 按钮，在 Surfaces 中选择 wall-4，显示如图12.5所示的云图。

图12.3 Graphics and Animations 面板

图12.4 Contours对话框

图12.5 组分云图(一)

(3)选择Surface-New→Iso-Surface 选项，弹出如图12.6所示的Iso-Surface(等值面)对话框。

图12.6 Iso-Surface对话框

在 Surface of Contant 中选择 Mesh和 Z-Coordinate,在 Iso-Values 中输入 0.075438, 在 New Surface Name 中输入 z=0.07，单击 Create 按钮。

(4)在 Contours(等值线)对话框的Contours of中选择Temperature和 Static Temperature，Options中选择Filled选项，Surfaces中输入z=0.07，单击 Display 按钮，显示如图12.7所示的云图。

图12.7 温度云图

(5)在 Contours of中选择 Species 和 Surface Coverage of ga_s，在 Options 中选择Filled 选项，单击 Display 按钮，在 Surfaces 中输入 wall-4,显示如图12.8所示的云图。

图12.8 组分云图(二)

(6)选择Surface-New→Line/Rake 命令，弹出如图12.9 所示的 Line/Rake Surfac对话框。

创建表 12-1 所示参数的一条线，单击 Create 按钮。

图12-9 Line/Rake Surface 对话框

表 12-1 创建线坐标

(6)选择 Results-Plots 命令，弹出如图12-10 所示的 Plots(图形)面板，双击 XY2s选项，弹出如图12-11所示的Solution xy Pios(xY 曲线)对话框。

图12-10 Plots 面板

图12-11 Solution XY Plots 对话框

取消选择 Node Values 复选框,在 PlotDirection 中输入(1,0,0),在YAxisFunction中选择 Species 和 Surface DepositionRateofga-s，在Surfaces 中选择 line-9，单击 Plot 按钮，显示如图 12-12 所示的温度图。