https://doi.org/10.26089/NumMet.v27r211

Сопряженное численное моделирование гидродинамических и электромагнитных процессов в горелке спектрометра с индуктивно-связанной плазмой

Авторы

  • А. С. Мельников
  • А. Х. Гильмутдинов

Ключевые слова:

численное моделирование
индуктивно-связанная плазма
газовая динамика
турбулентные течения
горелка Фассела
аналитическая спектрометрия
магнитный векторный потенциал

Аннотация

В исследовании представлен сопряженный подход к трехмерному численному моделированию индуктивно-связанной плазмы в горелке спектрометра, основанный на совместном решении задач гидродинамики и электродинамики. Для этого в программной среде ANSYS Fluent был разработан пользовательский модуль, осуществляющий расчет электромагнитных полей в терминах магнитного и электрического потенциалов и их сопряжение с уравнениями гидродинамики и теплопереноса. Проведена верификация алгоритма электромагнитного модуля на тестовой задаче, продемонстрировавшая совпадение с аналитическим решением с погрешностью менее 2%. Анализ результатов моделирования позволил установить влияние тангенциальной подачи газа и электромагнитных сил на формирование пространственно-неоднородной структуры плазменного факела и выявить механизм возникновения возвратных вихревых течений. Выявленные эффекты демонстрируют качественное соответствие экспериментальным данным. Разработанный вычислительный модуль открывает возможности для целенаправленной оптимизации конструктивных и режимных параметров плазмотронов, используемых в аналитической химии и материаловедении.


Загрузки

Опубликован

2026-04-16

Выпуск

Том 27 (2026): Выпуск 2.

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения

Авторы

А. С. Мельников

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева (КАИ)

• ведущий инженер

А. Х. Гильмутдинов

Казанский национальный исследовательский технический университет имени А. Н. Туполева (КАИ)

• профессор, заведующий кафедрой

Библиографические ссылки

  1. S. C. Wilschefski and M. R. Baxter, “Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry: Introduction to Analytical Aspects,” The Clinical Biochemistry Reviews 40 (3), 115–133 (2019).
    doi 10.33176/AACB-19-00024
  2. H. Lindner and A. Bogaerts, “Multi-Element Model for the Simulation of Inductively Coupled Plasmas: Effects of Helium Addition to the Central Gas Stream,” Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 66 (6), 421–431 (2011).
    doi 10.1016/j.sab.2011.04.007
  3. H. Lindner, A. Murtazin, S. Groh, et al., “Simulation and Experimental Studies on Plasma Temperature, Flow Velocity, and Injector Diameter Effects for an Inductively Coupled Plasma,” Analytical Chemistry 83 (24), 9260–9266 (2011).
    doi 10.1021/ac201699q
  4. A. Bogaerts and M. Aghaei, “Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry: Insights Through Computer Modeling,” Journal of Analytical Atomic Spectrometry 32 (2), 233–261 (2017).
    doi 10.1039/c6ja00408c
  5. Y. Niu, W. Bao, D. Liu, et al., “Three-Dimensional Numerical Simulation of Inductively Coupled Plasma Generator,” in 2020 Cross Strait Radio Science & Wireless Technology Conference (CSRSWTC), Fuzhou, China, December 13–16, 2020 (IEEE Press, 2020), pp. 1–3.
    doi 10.1109/csrswtc50769.2020.9372569
  6. S. Alavi and J. Mostaghimi, “A Novel ICP Torch with Conical Geometry,” Plasma Chemistry and Plasma Processing 39 (2), 359–376 (2019).
    doi 10.1007/s11090-018-9948-5
  7. A. S. Melnikov, S. V. Babina, and A. Kh. Gilmutdinov, “Numerical Simulation of Gas Dynamics in the Torch of an Inductively Coupled Plasma Spectrometer,” Vestnik NIYaU MIFI 15 (1), 3–12 (2026).
    doi 10.26583/vestnik.2026.1.1
  8. S. Elaissi, A. B. G. Trabelsi, F. H. Alkallas, et al., “Energy Efficiency Enhancement of Inductively Coupled Plasma Torch: Computational Study,” Materials 15 (15), Article Number 5213 (2022).
    doi 10.3390/ma15155213
  9. P. A. Davidson, An Introduction to Magnetohydrodynamics (Cambridge University Press, Cambridge, 2001).
    doi 10.1017/CBO9780511626333
  10. R. Sun, Y. Shi, Z. Bing, et al., “Metal transfer and thermal characteristics in drop-on-demand deposition using ultra-high frequency induction heating technology,” Applied Thermal Engineering 149, 731–744 (2019).
    doi 10.1016/j.applthermaleng.2018.12.095
  11. L. R. Egan and E. P. Furlani, “A computer simulation of an induction heating system,” IEEE Transactions on Magnetics 27 (5), 4343–4354 (1991).
    doi 10.1109/20.105060
  12. V. I. Veprintsev, G. K. Bylkova, V. V. Tyurnev, et al., Fundamentals of Circuit Theory (IPK SFU, Krasnoyarsk, 2008) [in Russian].
  13. I. A. Kotelnikov, Lectures on Plasma Physics. Vol. 2. Magnetohydrodynamics (Lan’, St. Petersburg, 2021) [in Russian].
  14. Y. Cressault and A. Gleizes, “Thermal plasma properties for Ar–Al, Ar–Fe and Ar–Cu mixtures used in welding plasmas processes: I. Net emission coefficients at atmospheric pressure,” Journal of Physics D: Applied Physics 46 (41), Article Number 415206 (2013).
    doi 10.1088/0022-3727/46/41/415206
  15. ANSYS Fluent User’s Guide. Release 2023 R1.
    https://archive.org/details/ANSYSFluentUsersGuide/mode/2up Cited April 12, 2026.
  16. A. S. Melnikov and A. Kh. Gilmutdinov, A Software Module for Modeling Inductively Coupled Plasma in ANSYS Fluent.Certificate of RF Registration of Computer Program № 2025689985.Date of Registration: 01.11.2025.
    https://new.fips.ru/registers-doc-view/fips_servlet?DB=EVM&DocNumber=2025689985&TypeFile=html Cited April 15, 2026. [in Russian].
  17. A. S. Melnikov, S. A. Nikiforov, K. Yu. Nagulin, and A. Kh. Gilmutdinov, “Gas Dynamics Research in a Plasma Torch for Spectral Analysis Using Numerical Simulation,” in PhysicA.SPb: International Conference Proceedings. St. Petersburg, Russia, October 20–24, 2025 (POLITEKH-PRESS, St. Petersburg, 2025), pp. 92–94.
    https://physica.spb.ru/data/uploads/2025/theses2025.pdf Cited April 8, 2026.
  18. M. I. Boulos, P. L. Fauchais, and E. Pfender, Handbook of Thermal Plasmas (Springer Nature, Cham, 2023).
    doi 10.1007/978-3-030-84936-8
  19. R. Ye, P. Proulx, and M. I. Boulos, “Turbulence Phenomena in the Radio Frequency Induction Plasma Torch,” International Journal of Heat and Mass Transfer 42 (9), 1585–1595 (1999).
    doi 10.1016/s0017-9310(98)00260-9
  20. S. B. Punjabi, S. N. Sahasrabudhe, N. K. Joshi, et al., “Comparative Study of Laminar and Turbulent Flow Model with Different Operating Parameters for Radio Frequency-Inductively Coupled Plasma Torch Working at 3 MHz Frequency at Atmospheric Pressure,” Physics of Plasmas 21 (1), Article Number 013506 (2014).
    doi 10.1063/1.4862238
  21. M. Aghaei, L. Flamigni, H. Lindner, et al., “Occurrence of Gas Flow Rotational Motion Inside the ICP Torch: A Computational and Experimental Study,” Journal of Analytical Atomic Spectrometry 29 (2), 249–261 (2014).
    doi 10.1039/c3ja50302j

Лицензия

Copyright (c) 2026 А. С. Мельников, А. Х. Гильмутдинов

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.