为了解压缩空气所存储的压力能在自由活塞膨胀机工作过程中的能量分布及损失情况，采用重整化群(RNG)k-ε湍流模型对自由活塞膨胀机的工作过程进行了数值仿真，模拟了自由活塞膨胀机缸内流场的变化过程。通过仿真得到了缸内气体压力能、湍动能等参数随膨胀机凸轮盘旋转角度变化的分布情况。结果表明，在进、排气过程中气门及其附近因气流强烈的湍流运动引起的节流损失以及排气所带走的能量是造成工质气体可用能损失的主要因素。通过对自由活塞膨胀机的气缸、气门及缸盖的结构进行优化设计，进而合理组织进气气流和缸内流场，可以减小流动损失和排气损失，从而提高自由活塞膨胀机的性能。