近空间高超声速飞行器具有高效的突防和侦察能力，可以大大扩展战场空间，巨大的军事和商业经济价值使其具有广阔的发展前景。当飞行器以高超声速在近空间中飞行时，气体剧烈压缩和粘性阻滞使温度急剧升高，并产生离解、电离等“真实气体效应”，带来“黑障”和“热障”等一系列问题。由于气动热是飞行器热防护设计的边界条件，弄清复杂气动热的影响因素是极为重要的。
　　本文对高超声速飞行器的气动热问题展开了二维轴对称数值模拟研究，成果如下:
　　1、基于化学非平衡模型，引入了对于能量方程的变换方法和等效比热比的概念，开发了一套高超声速条件下化学平衡流和化学非平衡流气体的数值模拟程序，为近空间高超声速气动热分析提供了稳健的数值模拟工具。
　　2、利用开发的程序，对化学平衡流条件下圆球高超声速绕流的粘性效应和真实气体效应进行了数值模拟;然后又对化学非平衡流条件下圆球高超声速绕流的真实气体效应和非平衡效应进行了数值模拟，研究了高马赫数气动热数值计算的不稳定现象。结果表明:（D在平衡流条件下，流场粘性对驻点处的温度、压强、密度、激波脱体距离和近壁面处密度的分布影响不大，但近壁面处的温度分布略有不同。(Ⅱ)在平衡流条件下，比较了高马赫数下AUSMPW和AUSMPW+两种格式在近壁面处压强的计算效果。当马赫数高于18时，AUSMPW格式在近壁面处的压强分布中会呈现数值不稳定的现象，而AUSMPW+格式能够继续给出稳定的数值解。(Ⅲ)在平衡流和非平衡条件下，真实气体效应均对流场结构和气动热环境影响显著:激波后温度显著降低，密度大大增加，激波脱体距离减小，激波后压强变化较小;非平衡效应使得激波后的温度逐渐降低，密度逐渐增加，对压强的影响较小，而平衡流激波前后的流动都是均匀的，只在很薄的区域内流场物理量具有很大的梯度。
　　3、针对壁面热流计算中第一层网格高度选取原则不统一的问题，在非平衡条件下对圆球的气动热进行了数值模拟，研究了第一层网格高度的选取准则。结果表明:通过合适的网格划分能够改善激波的捕捉质量，但是对流场物理量的影响较小。与流场其他物理量（温度、压强、密度、速度）相比，热流收敛的慢。近壁面处的网格分布会影响壁面热流的大小，减小第一层网格高度使得驻点热流增加，直至收敛，从而否定了“存在第一层网格高度的最佳值”的说法。不同的来流条件下，准确预测热流值需要不同的网格，并根据计算结果，提出了第一层网格选取的方法。
　　4、为了分析近空间高超声速流中马赫数、钝体半径、来流密度和大气高度等参数与激波脱体距离的关系，分别对化学平衡流和化学非平衡流条件下圆球高超声速绕流的激波脱体距离进行了数值模拟，研究了激波脱体距离随马赫数的变化规律。结果表明:(Ⅰ)在化学平衡流动中，无论钝体半径、来流密度和大气高度如何变化，激波脱体距离均是随着马赫数的增加先减小后增大，存在激波脱体距离变化的拐点。当马赫数相同时，钝体半径和来流密度的增加都会使得激波脱体距离变大，高度增加使激波脱体距离变小。当半径相同时，最小激波脱体距离对应的马赫数随高度的增加先减小后增加，这主要与大气层中温度的变化有关。由数值模拟结果提出了激波脱体距离与近空间大气层高度、钝体半径和来流马赫数的关系式。(Ⅱ)在化学非平衡流动中，当大气高度、钝体半径和来流密度相同时，随着马赫数的增加，激波脱体距离先是快速减小然后再慢慢变大，即化学非平衡流动下也存在最小的激波脱体距离。但是最小激波脱体距离对应的马赫数比平衡流下的大，说明非平衡状态使得气体的可压缩性增加。马赫数相同时，化学非平衡模型计算的激波脱体距离大于化学平衡流模型的计算值。且随着大气高度的增加，平衡流与非平衡流计算的激波脱体距离的差值在变大，这是因为大气密度的降低令非平衡效应更加明显。