等离子态是物质的第四种状态，电弧等离子体是工业中常见的等离子体，由于其能产生高温而被广泛应用于工业过程中。本文深入学习了直流电弧等离子体的物理特性及其相关应用，并采用数值计算的方法对其进行仿真计算。首先建立了基于磁流体力学的自由燃烧电弧二维数学模型，利用Fluent以及其中的用户自定义函数(User-definedFunctions，简称UDF)和用户自定义方程(User-definedScalars，简称UDS)二次开发计算了自由燃烧电弧过程中的温度、速度、压力等分布。由于阴极尖端的高温(＞15000K)导致热电子发射，产生阴极射流，到达阳极表面时，在其滞止作用下径向流出，从而在阳极表面轴线附近形成高压区，温度分布整体呈典型钟罩形.数值计算结果和实验数据吻合良好，证明了二维电弧数学模型的正确性。接下来考虑阳极金属的蒸发，修改了阳极热流边界条件，确定了阳极蒸汽对自由燃烧电弧温度以及电流分布的影响，结果表明，阳极蒸汽产生的蒸发热损失会降低阳极附近的温度从而使温度出现向中心方向收缩，并且离阳极表面越近，收缩越明显，对电流的影响类似。
　　随后将电弧模型应用于钨极惰性气体保护焊(Tungsteninertgas，简称TIG)并耦合熔池，建立了TIG焊电弧-熔池耦合的数学模型，以SUS304不锈钢为母材，求解了TIG焊接过程中的温度场、流场、压力场、洛仑兹力、电流密度等，重点验证并比较了浮力、洛仑兹力、等离子流拉力、Marangoni力单独作用下的熔池流动特性。结果表明，与浮力和洛仑兹力相比，等离子拉力与Marangoni力对熔池对流的影响较大，在这两个主要驱动力的作用下，熔池呈现浅且宽的形状。在此基础上，率先提出采用动网格技术考虑电弧与阳极交界面的波动，并将其与之前的模型耦合计算，结果表明考虑界面波动后减少了向外的动量，导致熔池内速度减小，熔池宽度减小。和实验结果相比，耦合界面波动的模型计算结果更加准确。
　　接着将二维电弧数学模型拓展到三维，采用同样的方法进行计算，计算结果和二维的结果吻合良好证明了三维电弧模型的准确性，从水平截面计算结果可以看到速度由中心向外发散，磁场呈逆时针方向。随后研究了双钨极三维TIG焊过程，结果表明，双钨极TIG焊出现两个电弧相互吸引的现象，接着研究了两个钨极的间距以及电弧长度对于双钨极TIG焊的影响。结果表明，两电极距离越近或者电弧长度越大，两个电弧吸引越明显。同时三维双钨极TIG焊的研究也为随后的双电极直流电弧炉的研究奠定了基础。
　　将电弧的数学模型应用到电弧炉(Electricarcfurnace，简称EAF)中，首先进行了相应的模型以及介质热力学性质的修改，并用炉内电弧温度分布验证了电弧模型在电弧炉运动的准确性。随后将此模型耦合熔池，建立电弧炉的电弧-熔池耦合数学模型，计算电弧炉熔池的中的传热与流动过程，比较熔池中几种驱动力的作用。结果表明，相对浮力和洛伦兹力，表面剪切力是影响熔池形状的主要作用力。并统计了交界面上表面剪切力的分布，结果表明在交界面的中心区域和边缘区域，表面剪切力比较大。接着对三维双电极直流电弧炉进行了计算，结果表明在不均衡洛伦兹力的作用下，电弧发生了明显的偏转，和实验图像相吻合。耦合熔池的计算结果表明双电极直流电弧炉的熔池相对较深。