随着我国经济持续快速的发展,能源需求与日俱增,常规油气资源的开采难于满足,非常规油气资源开采必将成为油气供给的主要方式。而非常规油气资源开采难度大,需要采用人工改造储层、水力压裂等针对性的开采技术。在水力压裂技术应用时,地面高压管汇及井筒内的携砂压裂液属于高雷诺数的固液两相非牛顿流体,压裂车组的非均匀供液、地层裂缝压力变化、局部流道结构变化产生的湍流流动、砂粒碰撞和堆积等,均会引起管道内流体压力波动,导致管道异常振动,造成管道局部开裂和连接螺纹刺扣、部分工具冲蚀和断裂失效,以及砂粒冲磨和破碎等。因此,携砂压裂液的颗粒群碰撞破碎及管道耦合振动的数值分析方法研究具有明确的工程应用前景,涉及到流体动力学、颗粒运动学以及管道结构动力学的耦合求解,属于多尺度、多物理场耦合问题,具有很强的学术价值,可为输流管道、高压管汇的两相流诱导振动控制提供理论支撑。搭建了室内固液两相流与管道耦合振动实验系统。实验研究了变径管直径比、变径长度、流体流速、砂比对管道振动的影响,得到了固液两相流与变径管道耦合振动结果,为携砂压裂液两相流与管道耦合振动数值分析方法提供实验验证。建立了携砂压裂液两相流耦合动力学数值分析方法。采用中心差分法建立时域离散的颗粒运动轨迹方程,引入插值函数,对动量定理求解颗粒碰撞前、后速度进行加权平均;通过速度收敛准则,修正初值速度并自动调整迭代求解次数;采用弹性理论计算颗粒碰撞力,根据法向和切向应力,提出了颗粒碰撞破碎准则,使所建颗粒碰撞模型的数值计算耗时不依赖计算步长。以目标颗粒运动轨迹作为搜索网格对角线,形成可变的空间搜索网格体,创建碰撞搜索列表;沿颗粒运行轨迹进行逆向碰撞搜索,使所建颗粒碰撞搜索算法的计算精度、效率不受计算时间步长影响。根据流体与颗粒耦合物理参数传递方式,创建颗粒与流体耦合收敛条件;对局部不收敛区域,划分子计算域;通过子计算域启动判定条件,自动选择求解区域,并修正耦合计算时间步长,使所建流体与颗粒耦合数值分析方法求解规模得以控制。通过两颗粒、多颗粒碰撞算例,验证颗粒碰撞搜索的逆向迭代算法准确性与高效性;通过有限流体内单颗粒沉降算例和颗粒跟随算例,验证分域求解算法的准确性、高效性;通过支撑剂破碎算例,验证颗粒破碎准则的准确性。建立了携砂压裂液两相流与管道耦合振动数值分析方法。考虑颗粒的碰撞、破碎以及流体流场变化对管道振动的相互影响,采用有限单元法进行管道动力学求解,给出携砂压裂液两相流与管道耦合振动的参数传递和收敛条件,提出了两相流与管道耦合的数值求解算法。通过对室内固液两相流与管道耦合振动实验工况进行数值模拟,结果表明:流体流速越高、颗粒砂比越大、变径管变径长度越大、变径比越小,管道振动加速度幅值越大,竖直方向略大于水平方向,振动频率在7.9Hz至14.5Hz之间,管道振动加速度幅值与振动频率其数值模拟结果与实验结果误差小于15.0%。采用携砂压裂液两相流与管道耦合振动的数值计算方法,分析了流动参数和结构参数变化对管道入口、中间、出口位置处振动幅值的影响程度。结果表明,对变径管道振动幅值影响从大到小的排序为流速、直径比、变径长度、砂比,直管道为流速、管道外径、砂比、粒径,弯管道为流速、流体粘度、砂比、粒径。