当光波在飞行器周围流场中传输时，气体介质密度的变化会导致光波前发生畸变，从而对机载光学系统成像性能产生不利影响，这种作用称之为气动光学效应。本文主要对气动光学效应相关理论及数值模拟技术和方法进行了较系统的研究，发展了多种流场模拟和光传输计算的方法，在此基础上研制了一套较完整的气动光学效应数值模拟分析软件，并据此对一些典型的气动光学问题进行了数值仿真分析研究，初步得到了部分有价值的结果。 在气动光学效应的数值模拟研究中，大多沿用了激光大气传输的研究成果，其中流场的湍流特性主要采用统计的方法得到。而对于很多气动光学问题，湍流尺度、光斑尺度及光在流场中的传播距离可比拟，在这种情况下，大气湍流统计模型已无能为力。为此，本文综合运用流场数值模拟的多种方法和技术，结合湍流模式理论，解决流场的数值模拟问题，通过求解耦合一方程和两方程湍流模型的Favre平均Navier-Stokes方程的方法，获得流场结果。控制方程的离散采用了有限差分和有限体积方法，其中利用了多种矢通量差分或分裂格式离散对流项，单元界面值采用高精度格式插值得到，而粘性项的离散采用二阶中心差分，并根据有限体积法的思想，利用Gauss定理计算单元中心或界面上的空间导数。处理了多种类型初边值条件，最后利用显隐式方法耦合求解主控方程和湍流模型方程。这些技术的运用使得所开发的软件可以用于从一维到三维，低速、跨声速到超声速，以及定常、非定常和复杂外形边界流场的数值模拟。通过对部分流场模拟结果与实验的比较，表明流场数值模拟结果具有较高精度，优于许多文献上的计算结果。 在低速弱可压情况下，采用可压缩方法时收敛速度慢，而等压近似方法的适用面相对较窄，为此本文针对低速热对流热晕效应的特殊问题，建立了弱可压流场求解方法，该方法考虑了微重力和对流速度对热晕效应的影响，模型方程采用四步四阶Runge-Kutta显式迭代方法求解，可用于考察有风及无风的热晕效应问题，结果具有较高计算精度。 针对光波的波长短、频率高的特性，本文发展了多种光波传输的积分、微分数值计算方法，包括几何光学追迹方法、稳相法、波动光学方法和物理光学方法等，同时还建立了波前重构方法、流场的全息干涉图和纹影图的构造方法。结合流场数值模拟方法以及三线性插值方法和距离加权平均插值方法，可以进行光场与流场之间的耦合求解，用于热晕效应的数值模拟、远场光斑的计算和受气动光学效应作用下的透镜成像计算，还可以跟踪光线传播轨迹、量化光线偏折幅度、分析气动光学效应频谱特性、量化各种波前像差等。 最后，利用这套软件初步研究分析了几个典型的气动光学问题，为相关研究提供了有参考价值的信息和依据：研究分析了光束控制系统内通道激光传输的热晕效应，分析了气流速度、激光初始光强分布等对远场光斑带来的影响；首次采 用数值模拟方法研究了DLR-F4翼身组合体上的光学系统在不同方位上观察目标时的气动光学效应影响问题，给出了不同方位上流场引起的波前畸变和图像模糊程度分布情况；仿真分析了流场主动控制产生的气动光学效应，研究分析了外加干扰控制流场气动光学效应的有序性和频谱分布特性等。对这些问题的研究，有助于了解、认识和掌握气动光学效应的作用机理，为气动光学效应的校正、为提高和改善机载光学系统及定向能武器系统的性能提供依据