在高超声速飞行中,气流在经历强激波压缩和边界层滞止后会出现高温,使气体的振动能被激发,气体分子发生离解甚至电离。此时气体热化学属性与常温下量热完全气体有很大差异。在高空低密度情况,高温气体效应引发的物理化学过程需要很长的弛豫时间才能达到平衡态,飞行器整体流动可能处于非平衡态,气流的组分、温度等参数在流场内不再均匀。热化学非平衡效应对激波的形状和位置、分离区的大小和壁面的气动力热性能都有着重要的影响。目前热化学非平衡效应对钝头体绕流等简单流动已经有了较充分的认识,但热化学非平衡效应在激波反射、激波-边界层干扰等复杂流动现象中具体作用和机制还有待进一步探究。本文围绕运动激波反射和激波-边界层干扰问题展开研究,对热化学非平衡流中马赫杆形状和激波-边界层干扰特性进行了重点讨论。本文首先描述了热化学非平衡流的控制方程,对控制方程中所需的热力学模型、化学反应模型、混合气体输运模型和湍流RANS模型等物理化学模型进行了介绍。接着对控制方程的离散方法,网格界面处无粘通量格式,壁面条件处理等数值方法进行了介绍。通过发展得到的热化学非平衡流程序,对球锥、圆柱和压缩拐角这几种构型的绕流运动进行了数值模拟。对于这些典型构型绕流中激波的位置,壁面热流和压力,分离区大小等关键参数进行了校核,数值与实验吻合地较好。同时还给出常用的两种化学模型在钝头体绕流表现出来的差异。此外对数值模拟边界层流动中壁面网格的要求展开了一些的讨论。通过无粘的数值模拟,对准定常激波反射中马赫杆的变形特性展开了分析。给出了两种典型的马赫杆变形流场,并讨论了其变形形成的机制。介绍了不同入射激波马赫数下马赫杆形状的演变过程和高温气体效应在其中所起的作用,发现高温气体效应对马赫杆变形起到促进作用。此外得到了非平衡弛豫效应对马赫杆变形改变的规律。基于准定常激波反射中流场的自相似假设,提出采用质量守恒(体积守恒)的思想对马赫杆波后扰动进行定量分析,给出了无粘流动中马赫杆变形的理论预估公式。理论预估的变形量与数值模拟结果吻合得较好。此外还将模型与前人的模型进行了对比,本模型适用于更广泛的斜劈倾角范围内。在理论模型的基础上发现高温气体效应促进马赫杆变形的内在机制在于其激波后的吸热效应。对马赫杆凹陷或者凸起的转变临界进行了分析,反射激波的曲率是马赫杆形状转变的关键。通过数值模拟和SF6实验考察了边界层在马赫杆变形中的作用。对不同斜劈倾角和入射激波马赫数下的SF6准定常激波反射进行了实验,并采用相应的数值模拟来对其中现象进行解释。在边界层作用下射流会提前发生卷曲,而斜劈倾角越大,这种效应越显著。由于实验在很难进行多尺度的研究,采用数值模拟的方法讨论了雷诺数或者说尺度效应对边界层效应的影响。发现不同尺度下壁面射流将出现不同形态,并或多或少都会使马赫杆变形变弱。通过惯性力和粘性力的相互关系,讨论了射流表现出不同形态的原因。在真实的物理环境下,入射激波往往难以保持平直的状态。利用爆炸波这种典型的曲面激波研究了非定常性对马赫杆变形的影响的。在爆炸波反射中,马赫杆从一开始就处于剧烈变形中,而热化学非平衡效应此时并不会促进马赫杆的变形,反而表现出抑制变形。基于波系演变的几何关系和马赫杆顶部偏转假设,对三波点轨迹线进行了理论预估。理论值较好的吻合了数值模拟结果。尝试采用准定常下马赫杆变形的理论模型对爆炸波中马赫杆变形的演变规律进行解释,流场历史遗留信息对马赫杆变形有着重要的影响。双楔和进气道是激波-边界层干扰中的典型内外流构型。对于双楔构型,分别讨论了两种工况下来流轻微偏转、前缘钝化和层湍流边界层对流场波系和壁面热流的影响,并得出压缩拐角处转捩可能是数值和实验一直难以满足一致性的关键性因素。对马赫9的高超声速进气道在起动和不起动状态下热化学非平衡效应进行了讨论。介绍了不起动时流场喘振过程中波系的演化和喘振发生的内在机制。总结了不同堵塞比下进气道的喘振频率和起动临界条件,发现高温气体效应会使喘振的临界堵塞比增加,同时喘振时振荡频率降低。