直接模拟Monte Carlo方法(简称DSMC)是由Bird发展的用于求解稀薄气体动力学问题的一种新方法。本文在Bird研究的基础上开展了三维直角坐标网格DSMC方法的研究，考虑热化学非平衡效应，发展了一套可用于求解高超稀薄流动的DSMC数值模拟程序。　　首先，阐述了DSMC方法的研究背景以及发展现状。梳理了稀薄气体流动所涉及的分子气体动力学、统计热力学等相关理论知识。　　其次，运用了网格加密技术和网格切割技术进行直角坐标网格的生成，保证了计算的精度以及网格单元的贴体性。发展了一种全新的相邻单元搜索算法来追踪分子在网格间的迁移，该算法结合了射线法和二进制判别法，具有较强的通用性。运用FORTRAN90语言并结合相关模型及算法编制了DSMC程序，并通过相关算例进行了验证。　　然后，阐述了碰撞化学反应理论以及平衡碰撞原理。讨论了空气五组元化学反应模型。结合能量交换模型以及化学反应模型编写了化学反应模块，并通过相关算例进行了验证。　　最后，研究了 DSMC方法的并行技术。结合动态分区策略以及 MPI消息传递库编写了DSMC方法的并行程序，并通过相关算例对并行计算效率进行了验证。　　本文发展的DSMC方法计算程序可对高超声速稀薄流场特性进行数值模拟和分析，可用于地球大气环境下飞行器再入问题的研究，对工程设计有一定的参考价值和指导意义。