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幂律流体在同心及偏心环形空间中的螺旋流流动现象在钻井过程中极为普遍,而钻井液在环空中的流动则有时是层流有时是紊流。紊流是流体粘性运动中最复杂的形式,在石油工业中的流动问题,除了少数高粘低速流动外,绝大多数都是紊流流动。近年来,随着计算流体动力学(CFD)和流场测试技术的发展,数值模拟和PIV技术在流场特性研究领域得到了良好的推广和应用。因此,开展幂律流体环空流数值模拟及PIV实验研究具有学术理论意义和工程实际应用价值。本文通过在FLUENT软件gambit中三维笛卡尔坐标系下建立带切向管的同心及偏心环空管道的物理模型,采用SIMPLEST流场数值计算法的同时,应用有限体积法来实现控制方程离散化,紊流计算模型选取κ-ε两方程,近壁面采用壁面函数法来处理,模型参数设置与相应工况下的PIV实验情况完全相同,实现对环空流场进行数值模拟计算。实验部分采用PIV的粒子跟踪技术,用脉冲激光片光(Light sheet)照射所测流场的切面区域,通过成像记录系统摄取2次或多次曝光的粒子图像,形成PIV实验图像,再利用图像互相关方法分析PIV图像,获得流场一个切面内定量的速度分布。通过Tecplot和Origin等软件对数模及PIV数据进行后处理,得到了在切向速度进入下的同心及偏心环空流场的速度云图、向量图、流线图及轴径向速度分布情况,详细分析了流体粘滞性及偏心度对轴向速度的影响规律;通过流线图,发现偏心环空紊流螺旋流流场中存在二次流动现象,深入分析了偏心度、流体粘滞性对二次流的影响规律。本文首次应用FLUENT流体计算软件及PIV试验对牛顿流体、幂律流体在切向速度进入下的同心及偏心环空中紊流螺旋流流场成功地进行了数值模拟计算及试验结果分析。数值模拟结果与PIV实验结果基本吻合,表明利用FLUENT及PIV试验对环空流场进行数值模拟和试验研究是可行的,验证了数值模拟计算结果的可靠性和试验结果的准确性。这为进一步研究环空流紊流流动了提供理论依据和指导,并可促进FLUENT软件在环空流模拟中的开发及应用。