临近空间是指距地面20-100km的空域,由于其重要的开发应用价值而在国际上引起广泛关注。研制临近空间高超声速飞行器也已成为一个研究的热点问题,准确预测其气动特性(整体气动力,局部热流、应力等等)是研制这类飞行器最基本的要求。由于其运行区间范围广,常规NS方程或者添加滑移边界的方法已经不能完全胜任,需要同时借助于稀薄气体动力学方法。统一气体动理学格式(Unified Gas Kinetic Scheme,英文缩写为UGKS)建立在模型方程解析解基础之上,理论上能够适用于全流域,具有推进时间步长不受碰撞时间约束、没有概率论方法所固有的统计涨落等优点,但是其显著的不足是计算效率相对低下,计算资源消耗巨大,这大大限制了其在工程实际中的应用。本文瞄准三维复杂外形跨流域应用的研究目标,完成了气体动理学方法(包括UGKS及其满足连续流条件的极限形式GKS)建立、验证和确认等工作。研究了UGKS中相容性条件的影响,提出了隐式GKS中演化时间步长选取原则,实现了隐式UGKS,借助于MPI+OpenMP混合并行对二维高超声速飞行器进行了前体底部一体化模拟,最后完成了三维圆球和NASA的X38飞行器跨流域绕流的模拟。各章的主要内容如下:第一章是引言。首先介绍了本文工作的研究背景,然后概述了跨流域数值方法的发展。着重介绍了气体动理学方法的研究进展,由此引出了本论文的研究目标和主要内容。第二章建立了气体动理学方法,主要包括气体动理学控制方程、数值方法及方法初步验证。介绍了Boltzmann方程及BGK、ES-BGK、Shakhov和Rykov碰撞模型方程,给出了GKS方法、单原子分子UGKS和双原子分子UGKS的实现细节以及边界处理和无量纲化方法。最后为方法的初步验证,采用GKS模拟了旋成体侧向喷流,采用UGKS模拟了方腔、缝隙、二维喷流干扰、尖楔和圆柱绕流。第三章研究了UGKS中相容性条件的影响。分析了对速度空间进行离散之后因相容性条件不满足而引入的数值误差的表达式,揭示了该误差随马赫数的增加而显著增大。数值试验表明,引入了守恒型离散速度坐标法消除相容性误差后,对高超声速流动的模拟可以显著减小速度空间网格规模。第四章总结了提高气体动理学方法计算效率的主要工作。实现了隐式GKS并通过对高超声速圆球流场的数值模拟,给出了隐式GKS中演化时间步长选取的一般性原则。采用LU分解求解模型方程,实现了隐式UGKS。分析了UGKS中影响并行策略的因素,采用了MPI+OpenMP混合并行方法并与纯MPI并行方法进行了并行效率对比。第五章数值模拟了二维高超声速飞行器前体底部一体化流场。以球锥外形为研究对象,模拟了名义高度40km~90km区间内的气动特性。通过部分状态结果与DS2V(一个二维DSMC软件)结果的对比,进一步验证了二维UGKS。分析了不同高度下的流场结构特性以及前对称轴、固壁面和尾迹区对称轴上的流动参数分布变化规律,从介观分布函数的角度解释了固壁面上滑移速度的变化趋势。第六章完成了典型三维跨流域流动的数值模拟研究。首先模拟了圆球高速跨流域流动,通过与实验结果的对比验证了三维UGKS的正确性,分析了圆球跨流域的流动特征。之后模拟了X38绕流,检验了三维UGKS对复杂外形的适应性。最后,给出了计算资源消耗情况,为采用统一气体动理学方法解决跨流域流动的工程技术人员提供计算机资源需求和研究周期方面的参考。第七章是结束语。对本文的工作和取得的主要研究成果进行了总结,并对下一步工作进行了展望。