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本文以火星探测为研究背景,针对飞行器高超声速再入火星稀薄大气过程中的流动问题,采用直接模拟蒙特卡罗方法（the Direct Simulation Monte-Carlo method,DSMC）开展研究,考虑热化学非平衡效应,发展了一套可求解火星大气稀薄流动的DSMC数值模拟程序。首先分析了火星环境特征和探测关键技术,基于火星大气高稀薄程度的特点,确定了采用DSMC方法模拟火星大气高超声速流动的技术途径。其次,梳理了DSMC方法模拟稀薄气体流动所涉及的分子气体动力学、统计热力学基础理论,阐述了DSMC方法的算法实现过程,结合基本算例对本文程序予以验证。根据研究工作中的经验,提出网格划分、模拟分子数设定、计算量预估等方面的一些建议。然后,研究了火星大气化学反应DSMC方法的实现,分析了CO2分子振动模态,给出多原子分子振动能松弛在DSMC中的实现方法,建立火星大气化学反应模型并将其嵌入DSMC方法中,发展了一套可用于火星大气稀薄流化学反应效应计算与分析的求解程序,采用不同组元反应算例对程序予以验证,在此基础上研究了火星大气热化学非平衡效应。最后,基于本文发展的火星大气稀薄流DSMC计算程序,研究了气体稀薄程度对流场特性的影响,总结了流场结构随努森数的变化规律,在此基础上提出了一种稀薄流流场预估的经验方法,并运用该方法成功预估了高超声速圆柱绕流激波位置。本文发展的计算技术可对高超声速稀薄流场特性与气动特性进行数值模拟与分析,可用于地球、火星大气环境下的飞行器再入问题的求解,对工程设计具有一定的参考价值和指导意义。