微米铝粉具有很高的能量密度，微米铝与液态水的燃烧反应在水下推进和空间推进中应用前景广阔。微米铝/液态水的燃烧反应过程和机理十分复杂，目前相关的实验数据严重不足，对燃烧特性和规律没有形成系统而深入的认识；同时，包括铝粉在内的水反应金属燃料用于推进面临着燃烧组织方式的困扰，缺乏可能实用化的推进剂设计形式，使实际技术应用存在很大困难。加强微米铝-液态水燃烧特性研究，并探索可能的铝-水燃烧组织方式，对于掌握有关燃烧基础规律、促进微米铝-液态水燃烧应用具有重要意义。

本论文针对微米铝粉与液态水燃烧特性和机理开展了较为系统的实验和数值模拟研究。实验方面，观测和分析了三种不同组织形式的铝-水体系的燃烧：（1）准均质铝粉/液态水（Al/H₂O(q)）混合物，该体系中，铝粉在液态水中均匀分散，代表着较为理想的铝-水混合状态；（2）铝粉/树脂吸附微水体（Al/H₂O(a)）混合物，由铝粉微团与树脂吸附微水体构成，具有快速制备的实用化特点；（3）铝蜂窝与Al/H₂O(q)或Al/H₂O(a)构成的复合体系（Al/H₂O/AlFoil），以铝蜂窝提供结构骨架并调节体系的燃烧速率，是另外一种可能实用的铝-水燃烧组织方式。利用发明的全新点火方法，实现了铝-水体系的点火，对燃烧过程和燃烧特性进行了系统观测，并建立模型分析火焰传播规律。数值模拟方面，对Al/H₂O/AlFoil体系的燃烧过程进行分析，特别考察蜂窝骨架的作用机理；对铝-水燃烧环境中单个铝颗粒的气相燃烧行为进行探讨，分析粒径和环境条件（气流速度、环境温度及气体组分）的影响机理，并与所建立的非均相反应模型的分析结果进行对比。实验结果与数值分析相结合，获得了微米铝-液态水燃烧的基本规律，以及组织形式影响燃烧特性的控制机制。论文主要内容及研究结果如下：

1）实验研究了准均质微米铝粉/液态水（Al/H₂O(q)）混合物的燃烧特性，包括可燃极限、燃烧速率、火焰温度、燃烧效率以及添加剂的影响，铝粉粒径3.5-25 μm。Al/H₂O(q)具有较大的可燃范围，对于所有粒径（D_Al）的铝粉，燃烧速率（r_b）随着当量比（φ）的增加先增大再减小，最大值出现在φ = 1.7-2.0处。燃烧速率与粒径的关系遵循幂次律r_b ~ D_Al^−0.18，表明燃烧反应受到化学动力学控制。φ > 0.7时，随着φ的增加，燃烧产物中铝的残留量逐渐增大，燃烧效率下降。典型添加剂的影响表现为：氟化钠（NaF）通过破坏铝颗粒表面氧化膜促进燃烧；氟化铝钠（Na₃AlF₆）可溶解燃烧产物中的氧化铝，从而减少相变放热，对燃烧产生抑制；氯化钠（NaCl）对燃烧速率没有明显影响。基于火焰传播的传热机制建立了一维火焰传播模型，较好地预测了铝粉粒径和混合物当量比等主要因素对燃烧速率的影响，并用于分析火焰热结构的变化规律。

2）提出铝粉/树脂吸附微水体（Al/H₂O(a)）混合物这一新的铝-水燃烧组织形式，并对其燃烧特性进行实验研究。Al/H₂O(a)的贫燃极限接近Al/H₂O(q)，富燃极限则显著扩大。随着φ的增加，Al/H₂O(a)的燃烧速率也表现出先增大再减小的非单调变化，但在燃烧速率增大的区间（φ从0.6至2.0-2.5），燃烧速率-当量比曲线先后呈现两个变化速率不同的阶段，后者的增长速率更大，与Al/H₂O(q)相比，Al/H₂O(a)的最大燃烧速率显著提高。在实验研究的参数范围内，铝粉粒径对Al/H₂O(a)的燃烧速率没有规律性影响。当量比一定时，Al/H₂O(a)表现出与Al/H₂O(q)相近的燃烧效率。考虑Al/H₂O(a)中铝粉颗粒和液态水的分布特点及燃烧过程中混合物的结构变化，对体系导热系数及颗粒团燃烧时间进行分析，利用火焰传播模型揭示了当量比对Al/H₂O(a)燃烧速率的影响机制，表明导热系数的显著增大是该体系相比Al/H₂O(q)燃烧速率增加的主要原因。

3）对铝蜂窝与Al/H₂O(q)或Al/H₂O(a)构成的复合体系（Al/H₂O/AlFoil）的燃烧特性进行实验，并通过数值模拟对铝蜂窝及其主要参数的作用机理进行分析。实验结果表明，铝蜂窝的存在能显著改变铝-水的燃烧速率，特别是在φ = 0.6-2.0的范围内，相比于铝/水混合物，Al/H₂O/AlFoil的燃烧速率更大，最大燃烧速率发生在更小的当量比（φ = 1.0-1.3），其数值提高了1-2倍；蜂窝孔径为3.47 mm和5.20 mm时，燃烧速率基本不受孔径影响，壁厚的增加使φ = 1.0附近的燃烧速率增大。结合实验结果，对Al/H₂O/AlFoil燃烧的数值模拟分析得到以下认识：铝片介质主要通过增强火焰向未燃区的导热能力，使体系的燃烧速率增大；蜂窝角区的温度场受到相邻蜂窝壁的共同影响，该作用机制促进火焰传播，随着孔径的增大，角区的影响程度趋于稳定，继续增大孔径对燃烧速率不产生显著影响；蜂窝壁厚的增加使火焰向未燃区的导热加快，从而增大燃烧速率；蜂窝壁厚越小，蜂窝参与燃烧的程度对燃烧速率的影响越小。

4）利用所建立的单膜模型对单颗粒铝的非均相燃烧进行分析，同时，利用CFD模型对单颗粒铝的均相燃烧进行数值模拟，考察燃烧环境中粒径以及环境参数对铝颗粒燃烧特性的影响机制。非均相燃烧时，反应主要受化学动力学控制，颗粒燃烧速率受环境温度和水蒸气浓度的影响较大，受气流速度的影响较小；在环境条件一定时，颗粒表面温度随粒径增大而增加，当粒径达到某一临界值后，颗粒表面温度达到铝的汽化温度。与非均相燃烧相比，气相燃烧时颗粒燃烧速率受水蒸气浓度的影响较小，受气流速度的影响较大；随着气流速度的增加，颗粒燃烧速率先增大再减小，对于所考察的两种粒径（25 μm和200 μm）铝颗粒，燃烧速率均在颗粒雷诺数Re = 0.03时达到最大，当Re > 0.16时气相燃烧无法维持；在一定流动和温度环境条件下，随着粒径的减小，当燃烧控制机理由氧化剂扩散控制向化学动力学控制转变时，火焰温度降低，可能存在维持单颗粒铝气相燃烧的临界粒径；上述结果说明，为了实现铝颗粒的均相燃烧，需要根据流场和温度场合理选择粒径。