气动热力学作为近代空气动力学的一个分支，80余年以来从最初空气动力学与热力学简单的结合，发展成现在涵盖空气动力学、化学热力学、化学动力学、统计物理等广泛领域的复杂的交叉学科，自身已形成较为成熟完备的独立体系。然而，相比于非定常空气动力学的蓬勃发展，气动热力学中的非定常问题一直未得到应有的重视。因此，从构建理论框架的角度系统地研究非定常气动热力学，具有重要的学科发展意义。另一方面，临近空间高超声速飞行器概念的提出，给传统的气动热力学带来了大量未知的新挑战。对非定常气动热力学的研究，提供了一种探索“未知的未知”的可能性，具备相当的工程应用潜力。　　 据此，本文提出非定常气动热力学的概念，倡议开展非定常气动热力学的有关研究，并率先展开探索。所谓非定常气动热力学，就是以非定常流的观点来研究气动热力学问题，其关键是从流动发展时间历史的角度出发来进行研究。本文指出，非定常气动热力学中最主要的科学问题有如下三个：　　 一、在气动热力学研究中，如何判别非定常气动加热与准定常流气动加热的差别，即如何判别流场(包括温度场、速度场等)的非定常性(unsteadiness)；为此如何认识非定常温度场与非定常速度场的时空分布之间的联系和区别，即分辨非定常气动热与非定常气动力之间的联系和区别。　　 二、在由外部非定常边界条件激励导致的非定常气动热力学问题中，热环境响应表现出何种非定常特征。　　 三、在与气动热力学交叉的多学科一体化耦合问题中，如何探讨非定常气动热力学的作用，即其中气动热非定常过程如何处理，会给耦合求解结果带来什么影响。　　 针对以上三个科学问题，本文开展了以下几方面工作：　　 一、基于对壁面附着流动的非定常气动热力学模型理论研究，首次提出了非定常气动热力学的相似性准则。利用两个具有解析解的可压缩平行剪切流模型，分析了简化模型流动中非定常温度场与非定常速度场相互作用的特征及其对壁面非稳态传热的影响，揭示了其中反映非定常速度场对非定常热通量影响强弱的主要参数以及其影响规律。在此认识基础上，基于可压缩边界层方程组，推导了非定常气动热力学的相似性准则，其中包括表征温度场非定常性的判据StT。结果表明，与非定常空气动力学中仅凭Strouhal数Stu的大小即可判断要否考虑非定常因素的传统做法不同，在非定常气动热力学中是否需要考虑非定常因素，应该从无量纲的能量方程出发，根据温度场非定常判据StT与其他各项系数的相对大小加以综合评估而定。最后，通过一个简单的数值算例佐证了以上观点。　　 二、研究了一个典型的由非定常外部条件激励而导致的非定常气动热问题，深入分析了其中热环境的非定常特征。使用近似解析方法求解壁面温度发生突变的高超声速平板边界层流动，并辅以数值模拟，研究了其非定常过渡过程的气动热环境变化特征及机理。壁面热流的时间变化历史过程表明，热边界层的非定常响应存在两点显著特征：在壁温突然增加后短时间内，壁面热流方向改变，热边界层剖面呈现典型的非定常特征，在壁面附近出现了另一个拐点：热流时变的非定常过程持续时间极短，瞬态壁面热流很快达到最终稳态。若所考虑问题的时间尺度与热流非定常响应的时间尺度相当，则气动热的非定常过程必须予以考虑；反之，则可以采用准定常手段处理问题。　　 三、从非定常气动热力学的角度分析了一个气动热弹性力学中的模型问题：计入温度场非定常性的二维壁板颤振，据此说明了在气动热弹性力学问题中考虑非定常气动加热的重要性。利用线性稳定性理论与时域数值分析方法，研究了二维壁板颤振中的非定常温度效应，并探讨了计入非定常热环境情况下壁板颤振的稳定性边界。结果表明，在一定条件下，非定常的温度场显著改变了系统的行为特征，总体来说，非定常的温度场会使壁板的颤振情况恶化。值得注意的是，考虑非定常温度场后，二维壁板的受热屈曲平衡态无法保持，在一定情况下会出现复杂的混沌振荡。随着温升非定常部分振荡幅值的增大，参数平面上平壁板能够保持稳定的区域边界向内侧移动，稳定区域变小。对稳定性边界变化特征的分析指出，较大的阻尼对非定常的温度效应具有抑制的作用。　　 综上，本文提出非定常气动热力学的概念并进行相关理论框架研究，提炼了非定常气动热力学中三个主要的科学问题，并针对这些科学问题开展了内容相对完整的工作，拓宽了气动热力学的研究领域。