感应耦合等离子体风洞中三维磁流体动力学效应的数值分析

本文介绍了伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校350kW Plasmatron X感应耦合等离子体设施的三维模型，该设施用于测试高温材料。使用三维多物理场计算框架对该设施进行了模拟，揭示了设施内显著的三维特征。对炬管区域等离子体和电磁场的分析揭示了螺旋线圈的影响，导致等离子体放电的非轴对称分布。此外，还进行了两种工作压力下炬管-腔室配置的模拟，以研究炬管中等离子体不对称性对腔室中射流特性的影响。结果表明，高压下等离子体射流呈现非稳态、三维行为。对非稳态流场进行了谱本征正交分解（SPOD），以识别主导模态及其相关频率。在低压下，形成稳态、超声速、近似轴对称的等离子体射流，具有一致的流动特性，如温度和速度。然而，低压下的强非平衡效应导致物种浓度与轴对称性出现显著偏差，尽管速度和温度等量的分布几乎是轴对称的。