未来高超声速飞行器越来越快,承受的气动热更加严酷,超越所有的被动热防护材料体系的耐温极限,如何满足未来临近空间高超声速飞行器维形与减阻的需求是当务之急。发汗型降热减阻技术应运而生,但传统的气动力/热仿真没有考虑发汗系统工作过程中的真实复杂情况,缺乏含“真实气体效应”、壁面催化外流场与发汗耦合的气动热/力模型及其计算分析软件。基于此,本文在气动热力学、计算流体动力学、物理化学等学科基础之上,开展含化学非平衡效应的钝体绕流的发汗型降热减阻数值研究,取得的主要成果如下:1、基于质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程、组元扩散方程、气体状态方程等,建立了二维轴对称化学非平衡流动的基本模型;考虑了三种空气组分模型,即5组分离解模型（N2、O2、N、NO和O）、7组分电离模型（N2、O2、N、NO、O、NO+和e-）和11组分电离模型（N2、O2、N、NO、O、NO+、e-、N2+、N+、O2+和O+）,使用有限体积法对控制方程组离散,利用AUSMPW+格式和二阶中心差分分别对无粘通量和粘性通量进一步离散,利用LU-SGS隐式时间推进方法实现迭代求解,基于Fortran语言平台开发了二维轴对称化学非平衡层流绕流的数值模拟程序,为高超声速气流中组分模型对比分析及壁面催化效应提供研究工具。另外,以“ELECTRE”典型构型与其飞行试验工况为例,开展了5组分离解模型的壁面催化对高超声速化学非平衡层流气动热影响的研究,结果表明:壁面催化加剧离解的原子在壁面处的复合反应速率,复合反应释放的化学热流是壁面催化效应的主要原因,引起的物理热流增量是次要原因。2、利用开发的二维轴对称化学非平衡层流绕流的数值模拟程序,分别对5组分离解模型、7组分和11组分电离模型在化学非平衡流动中气动热进行了数值计算及其对比分析。结果表明:在非催化壁面条件,三种模型的壁面热流没有差别。在完全催化壁条件下,随着马赫数从12增加到23,三种组分的壁面热流差异越来越大,且在同一马赫数下50 km高度的热流差异大于40 km高度的;同一工况下,7组分热流最大,5组分热流最小;壁面热流差异主要是由离解与电离的竞争机制、壁面催化效应共同导致的。3、在二维轴对称11组分化学非平衡层流的基本模型之上,引入质量引射壁面和Menter SST湍流模型,建立了二维轴对称空气发汗的11组分化学非平衡湍流流动模型;开发了空气发汗的11组分化学非平衡湍流的数值模拟程序,并对高超声速飞行中光滑半球体上空气发汗的降热减阻进行了计算分析。结果表明:在光滑半球体上,发汗空气将高温来流推离壁面,增大了激波脱体距离,有效降低了摩擦阻力与壁面热流;基于数值结果提出了半球体的发汗降热系数公式和广义雷诺比拟关系。4、在无表面烧蚀的炭化热防护新方案中,热解气体注入边界层引起降热减阻,同时,热解气体溢出与燃烧致使壁面处化学组元增加。在二维轴对称空气发汗的11组分化学非平衡湍流流动模型之上,分别引入碳升华气体与热解气体燃烧10组分模型（假设几何表面无后退）与碳酚醛热解气体燃烧6组分模型,建立了二维轴对称热解气体发汗的21组分和17组分化学非平衡湍流流动两种模型,开发了含热解气体发汗的高超声速绕流数值模拟程序,通过典型算例验证了热解气体发汗的21组分化学非平衡湍流流动模型与程序;考虑了热解发汗与壁面热流分布的关系,利用17组分化学非平衡湍流流动程序,对高超声速飞行中光滑半球体上碳酚醛热解气体非均匀发汗的降热减阻进行了计算分析。结果表明:热解气体引射与燃烧增大了激波脱体距离,降低了壁面热流同时也减少了摩擦阻力;热解气体引射与燃烧的降热效果与来流工况密切相关;热解气体与来流中氧化性组分发生的燃烧反应会释放热量,但对于壁面热流的增加量可以忽略;基于数值结果提出了半球体的无表面烧蚀碳酚醛的发汗降热系数公式。