石油钻井中,下部钻柱的涡动会引发钻具的疲劳损坏,增加钻井成本。钻井液动力学与钻柱动力学相结合是钻柱涡动理论研究的必然。钻柱涡动下的流场分析是研究钻井液的流体作用力以及钻柱涡动规律的基础,为此,本文通过理论及数值计算、模拟仿真、PIV测量实验等三种方法,对内杆与外筒偏心自转诱发的平面流场进行分析。建立了柱坐标系下内杆与外筒同心自转诱发牛顿流体平面层流流动的动力学方程,结合边界条件,得到了切向速度、压力和流函数的解析解。建立了双极坐标系下,考虑惯性力的内杆与外筒偏心自转诱发牛顿流体平面层流流动的流函数-涡量控制方程,给出了速度、流函数、涡量等参数的边界条件。基于有限差分方法对流函数-涡量控制方程进行了离散,Lax-Wendroff格式显式推进求解对流项,全隐式求解扩散项,超松弛迭代法求亥姆霍兹方程,通过Matlab软件进行编程仿真。结果表明:除了内杆与外筒反方向偏心自转外的其它工况下,二次流出现都存在偏心率的临界值;出现了类似于泰勒涡的面涡;二次流的涡心会发生偏移,主要是惯性力的影响;仅内杆偏心自转或仅外筒自转时,二次流区域随着偏心率和转速的增大而增大;内杆与外筒同方向偏心自转时,二次流区域随着偏心率、外筒转速的增大而增大,随着内杆转速的增大而减小;内杆与外筒反方向偏心自转时,二次流区域随着偏心率、内杆转速的增大而增大,随着外筒转速的增大而减小。利用Ansys软件建立了内杆与外筒偏心自转的几何模型,进行了网格划分。对网格无关性进行了检查和验证。通过Ansys fluent软件对偏心平面流场进行了仿真,二次流的变化规律与模型的数值解分析结果一致。内杆上的动压分布表明:仅内杆偏心自转时,偏心率越大、转速越高,动压效应越显著,动压力由最窄间隙指向最宽间隙;内杆与外筒偏心自转时,动压力由外筒自转引起流动的流体从中间位置流入最窄间隙的一侧指向从中间位置流向最宽间隙的一侧。研制了内杆与外筒自转诱发流体平面流场的测量实验台,通过PIV技术分别对丙三醇水溶液和水的平面流场进行了测量和分析。二次流的变化规律与模型的数值解结果、软件仿真结果一致。不同流体的实验结果表明:仅内杆偏心自转时,流体为水的二次流出现的偏心率临界值更大;内杆与外筒同方向偏心自转时,流体为丙三醇水溶液的二次流出现的偏心率临界值更大;其它变化规律一致。最后,利用PIV实验结果验证了模型的数值解的正确性,同时也验证了软件仿真结果的可信性。本文的研究不仅为运动坐标系下考虑惯性力的内杆涡动诱发平面流场的分析奠定了理论基础,而且对于分析钻柱偏心自转工况下的钻井液的动压效应、流动压耗、携岩能力等具有重要的工程意义。