非热等离子体与反应流的统一流体模型

本工作提出了一种用于反应流与非热等离子体（NTP）耦合的统一流体建模框架。该集成求解器 reactPlasFOAM 基于气体-等离子体动力学求解器 ChemPlasKin 和计算流体力学库 OpenFOAM 构建，能够以高通用性和高性能模拟完全耦合的等离子体-燃烧系统。通过根据各阶段的主导物理现象简化控制方程，求解器利用统一的数据结构在四种运行模式之间无缝切换：流光（streamer）、火花（spark）、反应流和离子风（ionic wind）。与传统流光求解器依赖预制表格或拟合的电子输运性质和反应速率（作为约化电场或电子温度的函数）不同，我们的方法在线求解电子玻尔兹曼方程（EBE），以在单元层面更新电子能量分布函数（EEDF）。这使得能够通过捕捉混合物组成和温度的时间与空间变化，高保真地表征不断演化的等离子体化学和动力学。为提高这一多尺度、多物理场系统的计算效率，我们在等离子体通道中采用自适应网格细化（AMR），在并行化中采用动态负载均衡，并对快慢输运过程采用时间步子循环。该求解器首先针对六种已有的等离子体代码进行了正流光模拟验证，并与Cantera在自由传播氢火焰上进行了基准测试，随后应用于三个案例：（1）空气中的火花放电；（2）预混火焰中的流光传播；（3）非击穿电场下的火焰动力学。这些应用验证了模型预测NTP特性（如快速加热和自由基产生）的能力，并展示了其揭示等离子体与燃烧之间双向耦合的潜力。