高超声速飞行器是未来航空航天领域的技术制高点。结构重量的限制和剧烈的气动加热效应都降低了结构刚度,导致相关热气动弹性问题日益突出。同时,热气动弹性问题是一个涉及气动热力学、非定常空气动力学、结构传热学以及结构动力学的复杂多学科耦合问题。因此,热气动弹性问题已成为当前高超声速研究中的重点和难点。吸气式高速飞行器外流和内流中均会诱发若干热气动弹性问题。翼面和舵面作为飞行器外流中的主要气动部件,其热气动弹性问题将影响飞行器的气动特性和结构安全。进气道和燃烧室作为超燃冲压发动机的重要组成部分,其热气动弹性问题将影响推进系统的性能。且内流道中复杂波系导致的气动力非线性和气动热非线性、以及薄壁的结构动力学非线性使得此类热气动弹性问题极其复杂。然而,目前的研究中,第一类问题多采用工程简化方法,无法更加准确和深入地分析热气动弹性问题的物理过程和规律。而第二类问题的相关研究还极少。因此,本文同时对吸气式高速飞行器外流和内流中的关键热气动弹性问题进行研究。主要开展如下几个方面的工作:(1)建立了基于CFD/CTD/CSD的静热气动弹性分析框架,基于该框架细致分析了翼面结构静热气动弹性问题的物理过程和规律。(1)发现气动加热效应改变了结构变形扭转角沿展向的分布规律,气动加热效应使扭转角沿展向表现的规律从单调增加变为先增加后减小,其机理是前缘气动加热比较剧烈使得前缘变形增加的幅度更大。(2)热气动弹性变形导致翼面的升力、阻力、升阻比和力矩均减小,力矩的变化尤为明显,其机理是由于热气动弹性变形降低了有效迎角。该研究有助于加深对翼面静热气动弹性问题的理解和认识。(2)建立了一套高效的动热气动弹性分析框架。基于CFD求解两次定常流场预测气动热,在保证一定计算精度的同时大幅提高了气动热预测的效率。深入研究了结构热边界对全动舵面动热气动弹性特性的影响。舵轴及其附近的气动加热效应提高了舵轴上的温度和热应力,降低了结构固有频率和频率间距,最终导致颤振边界进一步下降。(3)提出一种温度分布参数化模型,并分别基于蒙特卡洛方法(MCS)和稀疏网格方法(SGNI)建立了动热气动弹性不确定性及全局灵敏度分析框架。基于该框架定量地研究了结构温度分布的不确定性对舵面结构刚度特性和颤振特性的预测造成的影响。结果表明,在保证精度的条件下,SGNI方法极大地提高了不确定性分析效率。(4)研究并揭示了进气道静/动热气动弹性问题对结构变形、结构动态响应、波系结构、分离涡结构以及进气道性能参数的影响规律和机理。(1)静气动弹性研究中考虑了气动加热效应以及耦合模式(单向耦合和双向耦合)对分析结果的影响。气动加热对分析结果的影响较大,而耦合模式引起的差异较小。(2)动气动弹性研究中考虑气动热效应后,结构振动幅值明显增大。结构动态响应存在复杂的“拍”效应。(3)唇口前缘结构变形和振动幅度最大,增强了激波强度,导致边界层分离涡尺度增加,同时改变了出口流场。结构变形和振动提高了进气道的时均流量系数和出口反压比,降低了时均总压恢复系数。结构振动导致性能参数存在波动,尤其是出口反压比的波动幅度较大。以上研究加深了对进气道中复杂波系结构中热气动弹性问题的理解与认识。(5)率先开展了超燃冲压发动机燃烧室中壁板结构振动对超声速横向射流燃烧的流场结构、混合特性、燃烧性能的影响规律和机理的研究。(1)研究了振动频率和幅值对性能参数的影响。振动频率影响较小,而振动幅值影响较大。且发现大幅振动会导致燃烧失稳,使得燃烧性能参数大幅波动。(2)研究了壁板变形和振动对燃烧的混合特性和燃烧特性的影响及机理。壁板振动和变形增加了激波强度、激波反射次数和激波与射流混合层相交次数,提高了射流混合层中动量通量比和射流穿透深度。这在提高混合效率和燃烧效率的同时也提高了总压损失系数。(3)基于流场数据和DMD方法对大幅振动下燃烧失稳特性进行了分析。分析了前六阶不稳定DMD模态,不稳定模态的火焰结构主要集中在壁板振动区域附近,且主要是高频模态。该工作初步揭示了壁板变形和振动对燃烧性能和稳定性的影响机制。