随着全球污染与能源枯竭两大问题的日益加剧,太阳能、风能、地热能等新兴可再生能源倍受人们的关注。斯特林发动机以其多种能源的广泛适用性和优良的热性能已越来越受到人们的重视。而热交换器作为斯特林发动机的关键部件,其性能直接影响斯特林机的效率和功率比,因此对热交换器的研究具有重要的意义。因气体工质在自由活塞斯特林发动机加热器和冷却器内是往复流动的,因此,本文通过建立振荡流模型分析加热器和冷却器的流动和换热性能,为加热器和冷却器的理论研究以及设计优化提供参考。本文首先对小功率(300 W)自由活塞式斯特林发动机的尺寸和结构进行了初步的设计,对其功率进行了初步的估算和优化处理,获得了加热器和和冷却器的几何结构,并对其进行模型简化,利用GAMBIT软件进行物理建模,通过商业软件FLUENT进行数值求解。采用质量入口和压力出口边界条件,并添加UDF文件,实现加热器和冷却器内部工质的振荡流动,分析不同情况下的流动特性与换热特性。在加热器振荡流模型中,分别在热壁面上添加三角形环翅片、矩形环翅片和弧形环翅片以及使用泡沫金属多孔介质强化换热,分析了一个振荡周期内温度场以及流场的变化。研究结果发现:振荡流动下管道长度的选取要综合考虑流阻损失和换热量。翅片结构中三角形环翅片具有最优的强化换热效果,其次是弧形环翅片,矩形环翅片的强化效果最差;翅片高度越大,流场扰动越剧烈,换热量越大,但同时流动阻力损失也增大,综合考虑换热量以及Performance Evaluation Criteria(PEC)值,在宽度5 mm的通道内最优翅片高度为0.2-0.3 mm。使用泡沫金属多孔介质具有最优的强化换热效果,其PEC值明显大于翅片结构的,孔隙率增大,换热系数减小,压降也同时减小,在0.9左右时具有最大的PEC值。在冷却器振荡流模型中,分别使用三角形环翅片、矩形环翅片、弧形环翅片以及热管冷却的方式来达到强化冷却的目的,通过数值模拟得到了一个振荡周期内速度场以及温度场的变化。研究结果发现:振荡流动时,热流密度和热流量都随时间呈周期性的变化,热管冷却方式具有最好的换热效率E。热管叉排时的冷却效果优于顺排时的冷却效果,当迎风间距s为2 mm时,冷却效果最优,顺排间距l1的选取要综合考虑换热量、压降以及换热效率等因素。