斯特林发动机有着较为广泛的应用前景。为深入分析斯特林循环特性及损失,针对一台百瓦级β型斯特林发动机进行三维数值模拟,搭建相应实验系统开展研究。基于自主设计的百瓦级β型斯特林发动机,搭建由加热及温度控制系统,斯特林发动机本体以及数据采集系统三个部分组成的实验系统。实验结果表明,平均压力增大使参与循环做功的工质质量增大,循环指示功增大,循环输出功率增大,循环效率增大。当转速为800 rpm左右时,2.35 MPa工况的循环指示功比1.41 MPa工况高出41.25%。转速增大使工作腔内的工质流速增大,循环指示功不断下降,循环输出功率增大,循环效率增大但增幅减小。当压力为1.88 MPa时,995 rpm工况的循环指示功比590 rpm工况下降6.04%。当平均压力或转速增大时,膨胀腔内工质温度减小,压缩腔内工质温度增大。结合百瓦级β型斯特林发动机的机械设计制造参数,进行三维数值模拟的几何建模、网格划分及无关性验证。不同压力下,三维数值模拟和实验研究循环效率的相对误差范围为5.89%-9.91%,循环指示功的相对误差范围为3.00%-5.78%;不同转速下,循环效率的相对误差范围为5.48%-9.89%,循环指示功的相对误差范围为3.58%-7.72%。三维数值模拟结果与实验结果取得了较好的一致性。三维数值模拟结果表明,在斯特林发动机内部工质由压缩腔流向膨胀腔的过程中,其内部温度分布主要受边界条件影响,压力梯度较小。在工质不断循环往复做功过程中,斯特林发动机内部发生射流现象。射流现象及冷热工质的掺混影响了不同压力和转速下斯特林发动机内部工质流动与换热特性。对回热器进行换热与结构优化研究。对于百瓦级β型斯特林发动机,选择三种孔隙率(0.822、0.798和0.774)进行三维数值模拟研究,结果表明,存在最佳孔隙率值为0.798,其整机斯特林循环效率分别比孔隙率0.822和0.774提高了2.69%和5.32%。定义回热器间隙长度比为λ,设置6组不同间隙长度比λ值(0、0.037、0.074、0.130、0.167和0.259)。三维数值模拟结果表明,对百瓦级β型斯特林发动机,存在一个最佳的回热器间隙长度比λ范围为0.037-0.130,其中最高的循环效率可比λ=0时提高8.32%。