Boltzmann方程是基于气体分子运动论描述气体流动变化规律的基本方程，其在从连续流到高稀薄流的各个流域均具有广泛的一致适用性。但由于其多变量、高度非线性和高维多重积分、微分等属性，导致求解极其困难，一种有效的办法即是改为求解简化了碰撞积分项以后的Boltzmann模型方程。李志辉等基于此，采用离散速度坐标法和数值积分技术，使用有限差分方法建立起一整套从连续流到高稀薄自由分子流的气体运动论统一算法。本文在研究求解Boltzmann模型方程气体运动论统一算法基础上，开展统一算法在考虑内部自由度与双原子分子结构的气体输运特性应用研究，致力内能激发情况下的流动模拟，进一步研究了气体分子的物理模型，发展了振动能激发模型的理论，并计算了一些考虑内能非平衡影响的全飞行流域复杂流动实例与跨流区高、低不同马赫数绕流流场特征。全文分为六章：第一章为引言，介绍了目前稀薄气体动力学的研究方法与发展概况，并简单叙述了Boltzmann方程及其模型方程的发展历程，调研分析了国际上基于Boltzmann方程研究内能影响方面的现状趋势。最后介绍了本文的主要工作。第二章介绍了分子的物理模型，以半经典半量子力学的方式描述了转动能、振动能等分子内部能级，给出了气体分子速度分布函数与能量分布函数的表述形式。最后介绍了考虑内能影响的WCU方程及其直接求解的困难所在。第三章介绍了两能级简化模型，并将其应用于WCU方程以削减该方程所带来的庞大内存需求和计算量。第四章在统一算法理论与计算框架下，介绍了考虑转动非平衡影响的Boltzmann模型方程计算原理，并将其应用到一维/二维高、低不同马赫数（1.53M s25）与全局克努森数（0.0001Kn10）跨流区流场模拟中。通过对高马赫数定常正激波和钝头体二维绕流问题的数值模拟，进一步验证了考虑转动非平衡影响的统一算法精度与可靠性，分析了计及转动能影响的气体流动特性，并通过对完全自由分子流到连续流不同流区的模拟，显示了统一算法的跨流区一致适用性。在此基础上，第五章进一步将统一算法模型应用到双锥再入体（CUBRC）跨流区三维流场模拟中。通过对CUBRC外形在不同流区的高超声速绕流模拟，重点显示了稀薄、过渡流区的转动非平衡效应，和近连续滑移流、连续流区的激波粘性干扰效应。第六章总结本文的研究工作，指出其中存在的不足，以及本文尚需解决的问题和今后的研究方向。