容积式膨胀机是中低品位余热回收和可再生能源发电领域的关键设备。单螺杆膨胀机作为一种容积式膨胀机，其具备单级膨胀比大、带液不敏感、工作域宽、受力平衡等诸多优势，在中低品位热能利用中具有良好的应用前景。然而，单螺杆膨胀机内部存在泄漏、摩擦、传热、流动、欠膨胀或过膨胀等多种不可逆损失，是影响其性能的重要因素。为了进一步提升单螺杆膨胀机的性能，本文针对单螺杆膨胀机内部的不可逆损失及非定常流动特性展开研究，主要内容和成果如下:
　　建立单螺杆膨胀机热力学工作过程理论模型，该模型能够反映进气压力损失、泄漏损失、传热损失和粘性摩擦损失，通过与实验数据对比验证了模型的可靠性。研究了间隙高度对单螺杆膨胀机内部不可逆损失的影响，结果表明，泄漏损失和粘性摩擦损失主要发生在螺杆与壳体之间的泄漏通道，调整配合间隙高度比啮合间隙高度对单螺杆膨胀机性能影响更大，当配合间隙高度不小于0.04mm时，啮合间隙高度不小于0.02mm，会在一定程度上显著减小摩擦功耗，提高星轮片和润滑油的使用寿命。
　　针对应用于有机朗肯循环系统中的单螺杆膨胀机在变工况条件下的性能参数进行了计算分析，结果显示，输出轴功随着膨胀比增加而增大;容积效率随着膨胀比的增加变化很小，当转速3000rpm时，容积效率几乎恒定在81％;而绝热效率存在最优值。比较了三种有机工质R123、R245fa和R134a在相同的进工况下的容积效率、输出轴功和绝热效率，得到R123的膨胀机性能最好，其次是R245fa，R134a的最小。为了能够将计算结果很好地服务于实际应用中，针对以R245fa和R123为工质的单螺杆膨胀机，导出实际膨胀过程指数与内容积比之间的函数关系，内容积比从1.8～6.5变化时，R245fa和R123的实际膨胀过程指数均接近1。
　　分析适用于单螺杆膨胀机非定常流体流动的数值模拟计算方法、物理模型、离散和求解方法、网格类型、网格划分技术与网格质量的控制策略等，采用基于STAR-CCM+的动态变形网格技术实现单螺杆膨胀机三维非定常的数值模拟。提出将贴体网格和局部细化网格生成技术相结合，实现膨胀机中间转子区域内高质量的结构性切割体网格划分，采用高斯-塞德尔方法进行迭代，并通过共轭梯度法和代数多重网格法加速代数方程组的迭代过程，保证离散化非线性代数方程组的数值求解具有良好的稳定性和鲁棒性。
　　研究了单螺杆膨胀机非定常流动的瞬态特性，揭示单螺杆膨胀机变量参数的周期性，压力场和速度场分布的特征。结果显示，膨胀机进、出口和内部监测点的气体压力和速度均呈现周期性变化的特征，由于速度和压力周期性震荡导致质量流量和扭矩这类膨胀机性能指标参数也并非恒定值，而是随着时间呈现周期性的变化。单螺杆膨胀机工作腔内流体在旋转的螺旋通道内形成涡旋流动，间隙内的流体流动对主流区域的流体进行扰动，产生二次流。工作容积内的主流流体的流动速度较小，属于亚声速流动，瞬时高速气流主要发生在进气孔口附近的间隙处，并且螺杆转子与星轮转子之间的啮合间隙内的流体最大瞬时速度超过了临界音速。
　　利用三维非定常数值模型可有效地研究单螺杆膨胀机的进气气流脉动特性和进气压力损失。改变转速对进气压力脉动影响不明显，而增加进气压力时，进气压力脉动强度略有增大，进气压力从0.7MPa增加至1.5MPa时，进气压力脉动强度从2.79％增加到6.17％。当内容积比从3.2增加到6.5时，进气压力脉动强度从1.31％增加到15.14％，进气压力损失从11.79kPa增加到65.25kPa。内容积比是影响单螺杆膨胀机进气气流脉动特性和进气压力损失的主要参数，并提出临界内容积比的概念，阐释了内容积比对进气气流脉动特性的作用机理。
　　为了能够系统地分析单螺杆膨胀机内部不可逆损失，将热力学工作过程模型与三维非定常数值计算模型进行耦合，提出了单螺杆膨胀机不可逆损失的计算模型，采用功率损失因子作为不可逆损失的定量评价指标，功率损失因子越大，则膨胀机的轴效率越小。研究了不可逆损失对单螺杆膨胀机的性能的影响规律，并对比分析各项不可逆损失的相对贡献大小。结果显示，泄漏损失和内部流动损失是影响单螺杆膨胀机性能的非常主要的两个不可逆损失，而在忽略润滑油的情况下，传热损失对单螺杆膨胀机的输出功率影响较小，进气压力损失和欠膨胀或过膨胀损失可通过设计优化尽可能地减小对输出功率的影响。