随着全球环境污染日益严峻,节能减排受到了广泛关注。斯特林发动机可以用于生物质和太阳能等可再生能源。随着可再生能源利用的逐步推广,斯特林发动机的研发进程得到了极大地促进。斯特林发动机是一种高效率的外燃式机器,其理论热效率与卡诺效率相等,但真实机器的效率要远远低于卡诺效率。直到目前为止,只有少数几款成熟的斯特林机型。这是因为对发动机内部各个参数对流动和换热的影响了解不够深入,导致设计出的机器的性能总是与设计值存在较大的偏差。本文采用模拟和优化的方法,对斯特林发动机的性能和热力学特性进行了详细的研究。为了提高斯特林发动机的设计精度,对模拟方法做了许多研究。本研究的第一阶段提出了多目标优化方法,该方法是多种优化算法的集合,包含了差分进化法、遗传算法和自适应退火方法。该方式尝试通过以上三类元启发式优化算法进行归纳和提升其稳定性和多样性。通过模拟求解器的连接和转换可以得到斯特林发动机设计优化的最优解。由于这三种算法并行运行而且种群之间存在交换,所以这种方法可以减少在局部最小值处收敛的可能性。该优化方法将5个变量作为优化目标,包括发动机频率,平均压力,热源温度,回热器丝网片数和丝径。通过采用多种多标准评判方法,包括逼近理想解的排序法和简单加权法,可以得到Pareto优化前端和最终的优化方案。结果发现,如果GPU-3斯特林发动机的流阻能显著减小,其输出功能达到3 kW以上,热效率也会增加5%。本研究第二阶段对本重点实验室研发的100Wβ型斯特林发动机进行了详细的分析。为了能提出一种斯特林发动机几何优化设计的有效方法,对一台低效率和输出功的发动机进行了研究。通过对发动机模型进行敏感性分析,基于CFD分析和实验得到的压力和体积数据,提出了多目标优化的方法。考察了换热器几何尺寸对发动机最大热效率,输出功和最小流阻的影响,包含加热器和冷却器的直径和长度,回热器长度、目数和丝径。采用CFD分别对真实尺寸和优化后的发动机进行了模拟,该模拟结果和实验数据一致,并分析了发动机内部的温度云图、速度矢量图以及压缩腔和膨胀腔内压力随体积的变化。通过分析发现,当加热器、冷却器和回热器的死体积分别减小54%,42%和24%时,发动机的热效率会增加2%,输出功会增加80W。死体积会造成压力出现相位差,是引起输出功的减小的主要原因。本研究基于多目标优化算法和多标准评判方法提出了一种斯特林发动机的设计方法。结合优化算法和simple分析算法,能够高效设计和分析斯特林发动机的性能。此外,CFD模拟和实验相结合方法,能够对斯特林发动机内部的换热、温度和压力分布有深入的了解。