如今,开发可持续利用的新能源已经被视为解决世界能源危机的重要途径,但油气藏资源仍是所需能源的主要来源之一,因此关于油气层开采的研究仍是科研工作者的研究重点之一,研发新的钻井技术与先进的钻井工具是未来钻井发展的趋势,涡轮钻具作为石油井下动力钻具之一,因其具有转速高、耐高温等特点使之在钻井现场得到了广泛的使用。涡轮钻具将钻井液流体的压力能通过叶片转换成输出轴的转动机械能,根据涡轮钻具的工作原理,涡轮钻具性能好坏与否极大程度上取决于涡轮叶片的性能,对涡轮叶片进行研究、研究固体在流场作用下的作用和固体变化对流场的影响及其相互作用(流固耦合分析)、对涡轮钻具固液两相流中的固相颗粒的运动规律与磨损机理展开更为详细的研究具有重要的工程意义。本文以涡轮钻具叶栅为研究对象,结合计算流体力学、理论分析计算、数值模拟对涡轮叶栅内流场以及叶片结构进行分析,具体研究内容有如下几方面:(1)以φ175涡轮钻具为例,结合涡轮钻具的结构尺寸参数和性能参数构建叶片型线表达式,通过三维软件建立涡轮叶栅与流道的实体模型,利用CFD(CFX)仿真模拟求解清水介质下的涡轮叶栅内流场流动情况,得到涡轮内部速度场与压力场分布,并通过与前人的涡轮台架试验进行对比验证,确保流体仿真的有效性。(2)基于流-固耦合原理,在涡轮叶栅内流场数值仿真分析与试验对比验证的基础上借助Ansys Workbench协同仿真平台采用单向耦合的方法,将流场分析的结果作为载荷传递给固体结构,忽略结构分析结果对流场的影响,对涡轮叶栅叶片进行结构静力学分析与模态分析,得到涡轮叶片系统的应力应变、变形变化规律以及涡轮叶片的前六阶模态的固有频率、最大振幅以及相应的振型图。(3)通过流体仿真Fluent软件,采用剪切应力运输k-ω湍流模型与颗粒轨道模型,建立了关于固液两相流情况下涡轮叶片的冲蚀磨损的预测方法。通过此方法得到了叶片冲蚀磨损分布情况,并对冲蚀分布规律进行解释说明,并在其他条件不变的情况下分别分析颗粒密度、颗粒直径、颗粒质量流量、液相入口速度、涡轮转速等影响因素对涡轮叶片冲蚀磨损规律的影响,为涡轮叶片的设计、冲蚀的预防提供理论依据。