在近空间大气层内能够进行高超声速远程机动飞行的新一代吸气式高超声速飞行器具有极其重要的军事战略意义和广泛的民用前景,是目前各航空航天大国的研究热点。论文针对该类高超声速飞行器在具有复杂流场、高焓、中低热流和持续长时间气动加热等特征的气动热力学环境条件下所迫切需要解决的非烧蚀热防护和热气动弹性等关键问题,重点开展了高超声速流场、热和结构等多物理场耦合基础物理问题的数值建模与分析研究。首先从物理本质机理和系统工程角度全局性剖析了高超声速流场、热和结构等各物理场间复杂的耦合结构关系,明确了多场耦合的层次关系和相关表征概念划分;然后遵循从简单到复杂、从局部到整体、循序渐进的研究理念,按照“先流后固,逐级耦合”的思路开展了以下几个方面研究工作:1)开展了高超声速气动热力学耦合问题的建模与分析研究。分别考虑量热完全气体模型和高温化学非平衡气体模型,研究和发展了一套具有较高的预测精度和可靠性的适用于三维复杂流动问题的高超声速气动力/气动热的数值模拟方法。在方法研究基础上,集成研制了基于分区多块结构化网格系统的高超声速气动力/气动热的数值模拟程序。选取大量具有详细试验数据的典型算例进行了较为系统的验证和评估研究。2)开展了高超声速流场-热耦合问题的建模与分析研究。深入地分析了高超声速流场-热耦合问题的耦合机理过程,构建了其多场耦合模型的数学物理描述,并提出了有效的耦合分析策略。在耦合分析策略的框架下,发展了一种自适应耦合计算时间步长方法,提出了一种综合考虑耦合变量物理特性和不同插值方法特点的混合插值策略,通过集成高超声速气动热力学数值模拟程序和通用有限元热传导分析软件,实现了高超声速流场-热耦合问题的多场耦合一体化分析程序平台。以典型结构模型为应用实例进行了高超声速流场-热耦合问题相关耦合特征和规律的分析研究。3)开展了高超声速流场-热-结构耦合问题的建模与分析研究。深入地分析了高超声速流场-热-结构耦合问题的耦合机理过程,构建了其多场耦合模型的数学物理描述,并提出了有效的耦合分析策略。在高超声速流场-热耦合问题的多场耦合一体化分析方法基础上,进一步扩展了混合插值策略的适用性,同时发展了一种快速的复杂外形网格变形方法,通过集成高超声速气动热力学数值模拟程序和通用有限元热-结构耦合分析软件,进一步实现了高超声速流场-热-结构耦合问题的多场耦合一体化分析程序平台。以典型结构模型为应用实例进行了高超声速流场-热-结构耦合问题相关耦合特征和规律的分析研究。4)开展了基于流场-热-结构耦合的结构热模态问题研究。通过分析热效应对固体结构的固有振动特性的影响机理,进一步研究和发展了基于多场耦合一体化的结构热模态问题分析策略和方法。以典型高超声速机翼结构模型为应用实例进行了结构热模态特性的分析研究。通过上述研究工作,本论文主要取得以下创新点:1)针对高超声速流场、热和结构等多物理场耦合问题开展了机理研究,分层次地构建了合理的多场耦合数理模型;2)提出了有效的多场耦合分析策略,并综合形成了一套具有工程适用性的高效的多场耦合一体化分析方法。这些成果为深入开展吸气式高超声速飞行器热防护系统的综合性能评估及优化研究,以及静态或动态热气动弹性问题研究提供了理论与技术支撑。