磁制冷是一种利用磁热效应实现制冷的制冷方式，采用固体磁热材料制冷工质，以及氦气、水等流体作为换热流体。斯特林制冷是一种发展成熟的气体回热式制冷方式，主要采用氦气作为制冷工质。两种制冷方式具有相似的循环特征，且都具有运行安全、环保、高效的特点，因此将两种制冷效应耦合叠加，研制了复合磁制冷实验系统。本文在详细进行文献调研和分析的基础上，在国家高技术研究发展计划(863计划)(201103A404)和国家自然科学基金项目(50976121)的支持下，结合本课题组之前对于耦合斯特林制冷效应的复合磁制冷机的研究成果，研制了两台复合磁制冷样机，并且对复合磁制冷样机进行了制冷性能的模拟计算和实验研究，通过计算和实验揭示复合磁制冷机的循环机理。论文主要工作及成果如下:　　1.耦合斯特林气体制冷的复合磁制冷样机实验研究　　以原有复合磁制冷实验台为基础，建立复合磁制冷循环计算模型，通过对复合磁制冷循环的回热器进行计算寻找复合制冷机最优化相位角度。基于原有的低压复合磁制冷实验台，更换了活塞气缸和活塞环以减少串气对系统的影响，重新填充更薄的厚度为0.6mm的钆片，将回热器磁性材料填充规整填料，测试了不同相位角下的制冷性能并对比单纯斯特林制冷机进行实验研究。实验并分析了运行频率、相位角等因素对制冷性能的影响。实验结果验证了计算对于复合磁制冷循环相位角的分析，确定了复合磁制冷样机最佳相位角。实验结果显示，增加系统频率能提高复合磁制冷循环的制冷量。对比未开磁制冷时纯斯特林制冷机，复合磁制冷机在以氦气作为换热流体，钆作为磁性材料，在系统压力1.0 MPa，系统频率1.5 Hz和2Hz工况下，复合磁制冷机的制冷量能够有15％-21％的增长。　　2.复合磁制冷机CFD数值模拟　　应用Ansys Fluent14.0软件，基于复合磁制冷机物理模型和回热器数值模拟以及磁热材料磁热效应理论，建立了复合磁制冷系统的CFD模型，开展了新型复合磁制冷机制冷性能模拟计算研究。描述了斯特林制冷效应和主动式磁制冷效应在磁回热器内部复合换热机制，分析了当不同利用系数、工作频率对复合磁制冷机制冷性能的影响，计算出两种制冷效果正面匹配的最佳相位角。模拟结果显示出相位角60°时，即最大压缩腔体积与最大磁场相差60°隋况下复合磁制冷机的两种制冷效应能够获得最大程度的正面叠加。模拟结果显示增大系统的利用系数会增强磁制冷的制冷量从而增强复合制冷中的磁制冷效应，同时频率的增加也会使复合制冷系统的制冷量提升而使系统COP降低。　　3.缓冲管型复合磁制冷样机实验研究　　根据CFD对复合磁制冷样机的模拟计算，以氦气为换热流体的复合磁制冷循环增加系统压力能增强磁制冷效果，从而增强复合磁制冷机的制冷性能。因此，设计搭建缓冲管型耦合斯特林制冷效应的复合磁制冷样机。样机以斯特林制冷机为基础，在冷头与膨胀腔之间增设一段热缓冲管，采用了一台同心Halbach旋转可调磁场永磁体，为磁回热器叠加外磁场。系统对比纯斯特林制冷机进行了实验研究，测试了回热器填充规整填料钆片的复合磁制冷样机的制冷性能。　　实验并分析了系统压力、运行频率、相位角等因素对制冷性能的影响。实验结果验证了CFD模拟计算中有关复合磁制冷循环相位角变化对制冷量影响的规律，确定了复合磁制冷循环运行的最佳相位角。实验结果显示，增加系统压力和系统频率能增强复合磁制冷样机的制冷量，并且在高压力下磁制冷效应更加显著，所占制冷量比重由低压的15-20％增加至20-30％。对比未开磁制冷时纯斯特林制冷机，复合磁制冷机在系统压力4.5 MPa和5.5MPa工作频率1.5 Hz，2.0Hz，2.5Hz工况下，制冷性能均优于纯斯特林制冷机，在相同的制冷温度下制冷量增幅达20-30％。制冷性能获得了显著提升。　　综上所述，本文对复合磁制冷机进行了回热器计算和整机CFD数值计算，计算出复合磁制冷系统中两种制冷效应匹配的最佳相位角，分析了利用系数，系统压力、运行频率等参数对系统制冷性能的影响;改进了原有复合磁制冷机，完善了其实验数据，在不同的运行频率下磁制冷与斯特林制冷获得了正面叠加效果;研制了一台缓冲管型耦合斯特林气体制冷的复合磁制冷机，对其进行了数值计算和实验研究。实验结果显示在同等工况下，复合磁制冷机的制冷性能对比斯特林气体制冷机获得了明显提升，证明了缓冲管型复合磁制冷机制冷性能的改善，为今后耦合气体回热制冷效应的复合磁制冷系统的设计提供了指导。