铝/水燃烧水下动力系统具有能量密度高、可长时间工作、氢气用于燃料电池、安全无毒等特点,近年来成为各国研究的热点。铝/水燃烧水下动力系统结构优化设计是提高系统能量密度及能量利用效率的有效手段,而铝/水持续稳定燃烧则是整个动力系统的技术瓶颈。本文通过理论建模对铝/水燃烧水下动力系统进行了分析,并采用理论分析、数值模拟与试验相结合的方法,对铝颗粒点火燃烧模型、铝/水涡流燃烧器结构等进行了研究,使得动力系统性能、铝颗粒燃烧效率得到显著提升。建立了铝/水燃烧水下动力系统性能计算模型,开展了系统性能影响因素分析。此外,通过采用固体换热器、壁面再生冷却换热得到高温水蒸气、高温水蒸气作为流化气等方案,设计了几种新的铝/水燃烧水下动力系统;根据系统性能分析认为,新设计的系统均具有各自的优势,但采用高温水蒸气作为流化气的方案有助于大幅度提高系统能量密度,且采用壁面再生冷却换热得到高温水蒸气的方案得到的系统能量密度最高。建立了一个基于扩散火焰燃烧机制,利用颗粒与流场之间热平衡规律,考虑了初始氧化层及氧化铝帽,可用于铝颗粒/水蒸气两相流动计算的铝颗粒燃烧模型。同时将该模型用于涡流燃烧室的数值模拟中,并将数值模拟结果与试验结果进行了对比验证,结果显示数值模拟结果与试验值具有较好的一致性。设计了周向与轴向两种不同进铝方式的铝/水蒸气燃烧的涡流燃烧室构型,研究结果表明:在一定条件下,两种构型均能够实现铝颗粒进入涡流燃烧室后形成漩涡流动并在燃烧室内部进行高效燃烧且燃烧效率可达95%以上,颗粒沉积主要发生在燃烧室出口区域。此外,对两种涡流燃烧室构型分别开展了影响因素分析。对于周向进铝构型,在一定范围内增加凹腔、降低水蒸气入口速度、减少铝颗粒粒径均有利于铝颗粒燃烧;压强与水燃比影响则较小,但水燃比过大或压强过低时,涡流燃烧室内铝颗粒将无法自维持燃烧。对于轴向进铝构型,在一定范围内进铝位置靠近中间旋流区、铝颗粒入射角为正、减少铝颗粒粒径、增加水燃比均有利于铝颗粒燃烧。最终综合比较两种构型可知,轴向进铝涡流燃烧室构型为最佳选择。设计了铝水双燃烧室构型,预燃烧室进行铝颗粒点火,补燃室进行铝颗粒补充燃烧,研究结果表明,该构型可以实现铝水高效燃烧。此外,根据对该构型影响因素分析可知,随着水蒸气与铝流量比值降低,燃烧效率逐渐下降,当其小于一定值时,铝颗粒将无法维持燃烧;一次冷水位置越靠近预燃烧室,铝颗粒燃烧效率越高;二次冷水位置对铝颗粒燃烧影响较小。铝/水双燃烧室中,在前端面进冷水可以促进铝颗粒燃烧,且燃烧效率随着冷水流量增加而增加;此外,过量的冷水以及冷水入口位置足够靠近铝颗粒入口会导致铝颗粒无法维持燃烧。设计了铝/水蒸气涡流燃烧室试验系统。通过采用酒精与氧气燃烧再通入适量的冷水的方法来获得高温高压水蒸气;设计了铝/水蒸气涡流燃烧室构型并进行了铝/水涡流燃烧室原理试验验证,试验结果表明该涡流燃烧室可以实现铝颗粒与水蒸气的燃烧。通过增加主动颗粒补燃室结构,解决喷管堵塞问题的同时,铝颗粒燃烧效率可达92%以上。