热等离子体具有高温、高焓、高化学反应活性和污染物排放低的特点,已广泛应用于冶金、喷涂、焊接和纳米材料合成等工艺领域。工业应用中涉及热等离子体的流场组织形式包括等离子体炬内流动和等离子体炬外自由射流、同轴伴流、同轴对撞流等。研究不同流场组织下热等离子体的流动特性,对优化反应器设计和开发新型等离子体反应器等具有非常重要的意义。本文基于OpenFOAM开源计算流体力学软件开发耦合电磁场、流场、温度场和组分场的数值模拟求解器,开展了电弧等离子体炬内流动以及炬外射流流动及混合的数值研究,主要工作和结论如下:首先,采用准直接数值模拟研究了电流强度和冷氩气入口流量对等离子体炬内流场、温度场和电磁场的影响。对照没有电弧加热的等温流动,等离子体炬内数值计算结果表明考虑电弧加热作用后,阴极区域由于高电流密度产生热膨胀,回流区的作用逐渐减弱。但在低电流强度情况下（200A）,由于电弧加热能量不足,导致在阴极尖端处回流区的作用仍存在,造成等离子体炬内流动不稳定,特征频率为11.8kHz。炬内流动不稳定导致在阴极尖端区域存在速度脉动,在热等离子体和阳极冷气流边界层交汇的区域存在温度脉动。但随着电流强度的增加,等离子体炬内速度、温度和电势整体上都提高,这种波动现象逐渐消失,流动趋于稳定。另外,随着入口氩气流量的增加,等离子体炬内不稳定性略微增强,流动特征频率和电位波动振幅略微增加。入口氩气流量的增加还导致等离子体炬电弧长度和轴线附近的速度逐渐增加,但对轴线附近的温度几乎无影响。其次,开展了射流雷诺数和入口湍流强度对氩热等离子体自由射流流动和混合特性影响的大涡模拟研究。从热等离子体射流的平均流场、瞬时流场、湍流统计特征、混合层厚度和射流自相似性等五个方面进行了详细的分析。结果表明,射流雷诺数从1148变化到1722,入口湍流强度从2%变化到10%,流动从层流热等离子体射流转变为湍流热等离子体射流。对于雷诺数为1148的氩热等离子射流,增加入口的湍流强度会增大剪切层附近而非射流轴线上的湍流输运作用,导致湍流发展的更快。而对于雷诺数为1722的工况,流动和混合特性基本不受入口湍流强度变化的影响。但相比于雷诺数为1148的工况,湍流输运的作用随着射流雷诺数的增加而增加,导致射流长度和高温区长度更短。还发现湍流热等离子体射流轴线上速度和温度在下游满足自相似性,衰减常数K为1.25,远小于常温湍流射流的衰减系数（5.7～6.1）,且与射流雷诺数和入口湍流强度无关。再次,开展了同轴氩气伴流入口速度和宽度对氩热等离子体射流流动和混合特性影响的大涡模拟研究。结果表明,相比于静止空气环境中的层流热等离子体射流,施加同轴氩气伴流带来热等离子体射流和同轴氩气伴流之间的Kelvin-Helmholtz不稳定是导致热等离子体射流从层流射流转变为湍流射流的原因。增加同轴氩气伴流入口的宽度,一方面减少了热等离子体射流上游对周围环境冷空气的卷吸,另一方面由于氩气的定压比热和比焓远低于空气的,导致热等离子体射流上游高温区的温度更高。此外,增加同轴氩气伴流速度和宽度不仅能强化热等离子体射流的湍流输运作用,加强热等离子体、同轴伴流氩气和环境空气之间的混合。还能促使热等离子体射流的湍流转捩提前到达。最后,采用准直接数值模拟研究了热等离子体射流和冷气流的动量通量比和距离对反应器内平均流场、瞬时流场以及湍流统计特征的影响。结果表明,冷气流配置对反应器内滞止层的相对位置有重要影响。随着动量通量比的增加,滞止层更靠近热等离子体炬出口侧。但热等离子体射流入口和冷气流喷嘴之间的距离对滞止层的相对位置影响不大。另外,分别在动量通量比为1.015、1.805时产生了不同的滞止层流动机制和热等离子体射流流动特征。在低动量通量比时,滞止层呈现出偏转震荡流动机制,热等离子体射流内部具有较大轴向脉动速度。而在高动量通量比时,滞止层表现为扑动流动机制,热等离子体射流相对稳定,在滞止层处发现较大脉动轴向速度和脉动温度。