由于高超声速流动中存在着熵层、复杂波系干扰以及高温气体效应等复杂流动现象,相对于低速流动而言其颤振问题也更为复杂。对于这类问题,除了进行正确细致的高超声速流场数值分析外,还必须进行相应的实验研究以验证分析的正确性,其重要内容之一就是高超声速风洞颤振实验。由于风洞中难以达到高空流动的高焓条件且吹风平台时间较短,在高空飞行中的气动热现象难以再现,因此地面风洞实验仅能考核除气动热以外的气动弹性问题。另外,考虑到风洞开关车瞬间对模型产生的冲击破坏,安全可靠的风洞模型设计方案以及高超声速风洞颤振实验的安全保障技术仍需进一步研究。针对上述问题,本文主要从高超声速流场计算、网格处理、高超声速流固热多场耦合方法、气动热弹性缩比模型设计方法以及高超声速风洞颤振实验等方面做了以下研究:1)分别就非结构重叠网格的显式和隐式装配方法进行了研究并做出了一系列改进,包括改进型洞映射法、结合割补法和相邻单元搜索的贡献单元搜索方法、隐式网格装配策略的改进以及基于笛卡尔网格映射的局部贡献单元搜索方法。相较于传统方法,改进后的这些方法具有更高的计算效率,为快速高效的高超声速流场数值模拟提供保障。2)设计了高超声速风洞实验模型,完成了5马赫条件下的高超声速风洞颤振实验,成功观察到典型颤振现象。为避免模型颤振破坏以及给风洞设施带来的潜在风险,提出了一种包含碰撞的被动颤振防护系统。当来流动压高于模型的临界颤振动压时,由于碰撞的作用,模型在一定的幅度范围内以极限环形式振荡,使得模型免于颤振破坏,从而实现风洞模型的可重复使用。3)建立了包含颤振防护系统在内的非线性气动弹性数值仿真平台。该平台基于CFD/CSD耦合的形式将具有非线性特质的碰撞因素考虑在内。数值仿真与最终风洞实验结果的良好吻合验证了该套仿真平台的准确性。分别采用基于Euler和N-S方程的数值方法以及ZAERO软件对风洞模型进行了高超声速颤振计算,并对结果进行了比较,三者皆与实验结果吻合良好。4)基于“热模态、冷模型”设计思想,提出了一种基于热配平的气动热弹性缩比模型设计方法。首先通过流固热多场耦合方法对空中模型的配平状态及颤振动压进行计算,以临界颤振动压下热配平后的结构模态为“热模态”。其次,以该“热模态”所对应的刚度和频率为目标进行刚度优化和质量优化得到缩比模型,即“冷模型”。使用该方法设计了一个典型高超声速舵面缩比模型。按照气动弹性相似理论对缩比模型和空中模型的颤振动压进行校核,结果匹配良好,说明了基于热配平的气动热弹性缩比模型设计方法的有效性。