随着科学技术和生态文明的进步，人类越来越重视环境的保护和能源的可持续发展。化石燃料的燃烧对环境造成了很大的危害，人类在不断探索清洁能源以及有效的能源利用方式。作为一种高效、清洁、运行平稳安静的能源转换装置，基于斯特林循环的斯特林发动机在清洁能源利用方面有着深厚的潜力。斯特林发动机的理论研究和优化设计对斯特林发动机的生产和应用有着重要的指导意义。
　　在斯特林发动机的重要部件——回热器方面，本文考虑了工质与固体骨架之间的温差，分析了传热导致的不可逆性，建立了回热器的有限时间热力学模型。针对均温分布的回热器模型，得到了回热效率的表达式以及回热效率限，证明了均温回热器的回热效率不会大于50%。针对非均温分布的回热器模型，使用有限时间热力学的方法得到了两种情况下该模型的回热效率表达式以及回热效率限。针对这几种不同的模型分析了热力学参数对回热器效率以及斯特林发动机功率和效率的影响。
　　在斯特林发动机循环的研究方面，本文考虑了工质与高低温热源的传热不可逆性、回热损失和热漏损失等不可逆性对循环的影响，使用有限时间热力学的方法建立了斯特林发动机的模型。基于膨胀和压缩过程是等温过程的假设，在前人的基础上对斯特林发动机进行分析，建立了斯特林发动机的一种有限时间热力学等温模型。基于膨胀和压缩过程是多变过程的假设，使用有限时间热力学的方法建立了斯特林发动机的多变模型，并得到了膨胀和压缩过程的多变指数的表达式。基于曲柄匀速转动的假设，建立了一种基于工质体积正弦变化的有限时间热力学模型，得到该模型膨胀和压缩过程的两个常微分方程并进行数值求解。分析了热力学参数对斯特林发动机模型的性能影响，为斯特林发动机的设计优化提供了一定的参考。
　　在斯特林发动机的优化方面，本文采用了智能优化算法对斯特林发动机模型进行了多目标优化。由于不同的优化目标之间可能存在的矛盾关系，传统的单目标优化方法优化某个目标时会导致其它目标处于较劣值，因此多目标同时优化方法在工程应用中更具有实际的指导意义。本文首先采用了遗传算法对线性唯象定律下的斯特林发动机模型进行了多目标优化。然后，将基于拥挤距离的多目标粒子群算法应用于斯特林发动机模型的优化设计上。由此，对斯特林发动机的有限时间热力学多变模型进行了以功率和效率为优化目标的双目标优化，对斯特林发动机有限时间热力学等温模型进行了以效率、功率和生态学性能指标为优化目标的三目标优化。将多目标优化和单目标优化的结果进行对比后发现，经过多目标优化的斯特林发动机优势明显，更具有实际的指导意义。
　　在基于斯特林循环的复合系统研究方面，首先提出了一种基于斯特林循环的太阳能制冷系统，该系统使用碟式太阳能集热器来收集太阳辐射能并将其转化为热能，转化后得到的热能通过斯特林发动机进行热功转换，得到的功驱动斯特林制冷机进行制冷。通过考虑系统中部件的传热、回热、热漏等不可逆损失，建立了该系统的有限时间热力学模型，分析了太阳辐射强度、太阳能集热器的光学效率以及斯特林发动机高、低温侧热导对系统性能的影响。此外，本文基于能源的梯级利用提出了一套基于斯特林发动机的膜蒸馏系统。该系统由斯特林发动机和直接接触式膜蒸馏系统构成，利用斯特林发动机的余热来驱动直接接触式膜蒸馏系统从而起到发电、蒸馏的双作用。考虑了在斯特林发动机和膜蒸馏系统中传热的不可逆性，采用有限时间热力学的方法建立了系统的不可逆模型并分析了有关工作参数对系统性能的影响，从而指导该复合系统的优化设计。