从线圈到表面烧蚀：ICP风洞中全耦合烧蚀模拟

本工作提出了一个全耦合的多物理场计算框架，用于预测感应耦合等离子体（ICP）风洞中热防护系统的热化学材料响应。该框架采用分区耦合策略，集成了一个高保真Navier-Stokes等离子体求解器、一个电磁场求解器和一个间断伽辽金材料响应求解器。这使得能够对伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）的350 kW Plasmatron X设施进行从头到尾的端到端模拟，包括等离子体生成、电磁加热、近壁热化学以及时间精确的材料烧蚀。该模型捕捉了关键的ICP物理现象，如涡旋模式再循环、焦耳热驱动的等离子体形成和洛伦兹力诱导的流动约束，并准确预测了低压下从亚音速到超音速射流行为的转变。针对冷壁量热法和石墨烧蚀实验的验证表明，预测的驻点热通量完全在实验不确定度范围内，而全耦合模拟准确再现了测量的驻点温度历史和烧蚀速率，误差分别低于12%和10%。早期瞬态加热期间的剩余差异归因于功率耦合效率、平衡烧蚀建模和材料属性数据集的不确定性。总体而言，该框架展示了针对ICP风洞环境的强大预测能力，并为改进高超声速材料测试活动的设计、解释和规划奠定了基础。