本文采用基于磁矢量势的磁流体动力学模型,通过编写UDF程序,对自由燃烧电弧中的传热与流动过程进行了数值模拟,实现了流场和电磁场的耦合计算。并将计算结果与实验结果进行对比,证实了计算模型的可靠性与准确性。此外,本文模型考虑了电弧燃烧过程中,阴极尖端熔化以及阳极铜板蒸发产生铜蒸气的情况,对电弧和蒸发气体的相互作用进行分析,得到了电极熔化对等离子体电弧流动和传热状态的影响,使得计算模型更符合实际情况。随后,文中针对某拉瓦尔喷嘴,在二维轴对称模型的基础上,对超音速等离子体炬中的流动及其外部射流进行了数值模拟。在阳极喷嘴内部采用了基于磁矢量势的磁流体动力学模型,避免了对磁感应强度复杂的积分计算,得到了喷嘴内部多场耦合的结果及外部射流的流动状态。分析了喷嘴内部电磁场对等离子体的加速作用及射流的发展过程,为超音速等离子体炬的工业应用提供了理论基础。在此研究基础上,针对现有超音速等离子体喷枪中水冷循环系统较为复杂,拉瓦尔阳极喷嘴难于更换且费用较高等技术不足,设计了一种结构简单、低成本、易拆装检漏、电极水冷一体化、阳极易于更换的超音速等离子体喷枪。为了进一步研究不同弧根位置下,电弧加热等离子体的流动特性,文中针对某拉瓦尔喷嘴,在二维轴对称模型的基础上,对双阳极模式下超音速等离子体炬中的流动及其外部射流进行了数值模拟。在阳极喷嘴内部采用了基于磁矢量势的磁流体动力学模型,运用虚拟阳极的方法,得到了双阳极模式下喷嘴内部多场耦合的结果及外部射流的流动状态。分析了弧根位置变化对等离子体流动特性的影响,为双阳极超音速等离子体炬的工业应用提供了理论基础。并设计了一种结构简单、可靠、低成本、小型化的双阳极超音速等离子体喷枪。