凝胶燃料具有的高性能、高安全性、长贮存、易维护等固体和液体燃料的优点,受到国内外研究机构和学者的广泛关注,被看作是21世纪最有发展前景的特种燃料之一。其在力学性质上展现出显著的非牛顿流体特性,具有在静止时呈固态,受到一定剪切时发生流动的特点。本文以凝胶燃料为研究对象,通过实验和数值计算相结合的方法,对凝胶燃料的流变、流动、单滴破碎燃烧和发动机的工作过程进行了系统性研究。论文对凝胶燃料的本构关系进行了研究,实验测量了水凝胶模拟液和凝胶燃料的流变特性。对于剪切稀化型凝胶,引入幂律和Carreau-Yasuda流体本构模型描述其流变特性;对于温度敏感型凝胶,基于在不同温度下的实验数据,构建了温度与剪切效应耦合的凝胶本构模型;对于具有触变特性的凝胶,构建了包含多参数动力学微分方程的凝胶弹粘塑本构模型。这些本构模型可以较为系统地表征凝胶的流变特性。基于OpenFOAM编写了非牛顿煤油凝胶流动与传热数值求解器,仿真研究了剪切稀化型凝胶在渐缩管道和典型锥形喷注器中的流动特性。对于温度和剪切敏感型凝胶,仿真研究了其在直管和锥形喷注器中的流动和传热特性。在所研究的管道中,壁面附近的高温低粘度层会起到类似润滑层的作用,因此管道沿程阻力会显著降低。提出了三种用于凝胶燃料降粘的输运管道构型,仿真研究了不同构型管道中凝胶流动、传热与粘度变化特性。研究了波纹管道内不同波纹形状、波纹结构参数和雷诺数对粘度和压降的影响。此外也研究了Y形波纹管及脉冲入口速度对凝胶粘度的影响。涡街效应对凝胶的降粘可以起到积极的作用,管道中更大的钝体尺寸和更高的雷诺数可以对流场产生更强的扰动,使涡街对下游的影响距离越长。论文也研究了旋流喷注条件下凝胶的粘度降低效应。通过实验探究了煤油凝胶液滴的破碎特性,分析了不同气流速度下煤油凝胶液滴的破碎特征、流动参数对破碎时间和破碎区域的影响。采用VOF方法对煤油凝胶的液滴破碎进行了数值研究,分析了凝胶流变特性对液滴破碎的影响。可以发现凝胶液滴的无量纲破碎时间与稠度系数成正比,与流动指数9)成指数关系。开展了煤油凝胶单液滴的燃烧实验。燃烧后期凝胶液滴的燃烧速率比纯燃料更高,可以认为是由于气相二氧化硅的热导率比煤油蒸汽高,从而增强了反向传热的强度。无机煤油凝胶的点火延迟时间和总存活时间比煤油更短,这会缩短燃料在燃烧室内的停留时间,有利于推进系统的快速反应。实验结果表明无机凝胶的燃烧稳定性不如纯液体燃料,但优于有机凝胶的不稳定微爆过程,其不稳定性主要体现在不可燃刚性胶凝剂壳层的形成、收缩和剥落。搭建了凝胶发动机的实验平台和测量系统,设计了凝胶发动机实验样机,采用有机煤油凝胶为燃料开展了凝胶火箭发动机的点火实验。凝胶经旋流雾化后在氧气环境中采用普通火花塞点火可靠,发动机工作稳定。与煤油相比煤油凝胶的安全性得到了极大的提升,煤油凝胶在泄露之后几乎不会发生流动,减少了煤油蒸气的生成,降低了误点火造成的风险。