为了提高能源利用率和保护环境,面对蒸汽压缩式空调中冷媒对大气环境的破环,斯特林热泵不仅和蒸汽压缩式循环有相同的理论热效率,而且具有清洁高效、体积小等优点,所以斯特林热泵成为近年来人们研究的重点。为了提高斯特林热泵的效率、降低斯特林热泵运行时的损失,本文对一台自由活塞斯特林热泵进行三维数值模拟与实验研究,以深入分析斯特林热泵循环特性及损失为目的探究其内部流场变化,为热力学分析提供参考作用。首先,本文分析了自由活塞斯特林热泵的工作原理并对换热器进行合理简化。对一台自由活塞斯特林热泵建立物理模型,分析内部流场传热特性提出简化和假设,针对物理模型建立相应的数学模型。其次,为了研究自由活塞斯特林热泵内部流场的分布情况,对一台自由活塞斯特林热泵工作腔进行建模并进行结构化网格划分;采用FLUENT与UDF相结合的方法得到自由活塞斯特林热泵一个周期的瞬态流场分布;通过压降分析出斯特林热泵损失的关键点在回热器和换热器;分析循环指示功和压力、频率之间的关系,压力与循环指示功成正相关,频率与循环指示功成负相关。随后,为探究格栅式回热器的换热性能,建立了近似的圆管解析模型,采用数值法验证了圆管解析解的正确性并对六方管和圆管的温度分布和换热量进行误差分析。基于此误差很小在合理范围内,所以可以用近似的圆管模型代替六方管模型。最后,搭建自由活塞斯特林热泵板弹簧刚度实验平台,测量板弹簧的刚度。建立自由活塞斯特林热泵、信号发射器以及数据采集系统三个部分组成的实验系统,测量了自由活塞斯特林热泵膨胀腔和压缩腔的压力并计算了循环指示功,通过实验结果与仿真结果的对比分析误差产生的原因。综上所述,本文介绍了自由活塞斯特林热泵工作机理并分析了工作腔流场分布;通过压降分析得出斯特林热泵能量损失最大部分为回热器;对不同结构回热器通过热力学进行误差分析验证其可以等效替换;最后对斯特林热泵展开测试实验并与仿真结果进行对比,验证了数值模拟的正确性,对斯特林热泵的理论研究具有重要指导意义。