为了保护直升机发动机免受外来异物破坏,提高其运行可靠性,加装进口粒子分离器已经成为直升机的标准配置,其中惯性粒子分离器以其总压损失小、分离效率高、维护方便的优势在直升机进气防护装置上得到广泛应用。国内外现有的研究和测试大都基于数值模拟和整体性能试验结果,数值模拟结果由于缺乏测量数据验证,其可靠性难以保证。为了提高惯性粒子分离器的整体性能,其流动通道的型线设计依赖于内部流动结构的分析。而惯性粒子分离器流动通道截面的几何参数沿轴向和径向不断变化,近年来国外仅有矩形截面通道的少量PIV测试结果可供参考,国内的产品开发依据不足。本文根据某产品原型,设计并搭建了光学测试实验台进行模型内部流动结构的测试分析。实验通过控制清除流通道和主气流通道质量流量及其配比,分别对矩形通道和扇形通道模型进行了内部流场的PIV测试,结合数值模拟技术和高速摄影技术,对气流场和颗粒运行轨迹进行了对比分析,为惯性粒子分离器性能提高和结构改进提供了依据,进而采用正交试验法对其流道进行优化,对比得到了性能更优的模型。主要结论如下:PIV气流场测试结果表明,在清除流道进口的不同高度截面上均有回流涡的存在,在不同清除流比(SCR,14%到20%)、不同流量下回流涡结构不同。回流涡的存在对尺度不同颗粒影响不同,小粒径颗粒更容易跟随回流涡运动,固体壁面对该回流涡存在有很大影响,即越靠近壁面回流涡尺度越大;当SCR值越大时,回流涡占清除流道面积越小;当进口流量增大时,回流涡尺度变化很小。这表明由SCR所决定的回流涡尺度是影响气固分离效率的主要原因之一。PIV和高速摄影测试技术对不同粒径的颗粒在分离器内部运动规律测试结果发现,细砂颗粒的分离效率受到回流涡的变化而变化,具有明显的波动性,并且对分离效率和分离涡尺寸有明显的影响。回流涡尺寸越大,细砂颗粒分离效率越低;较大粒径的颗粒在分离器内部呈现直线运动轨迹,且与壁面发生非弹性碰撞,其运动主要受惯性和流道型线的影响,故分离效率较高,容易聚集在清除流道中。PIV气流场实验值以及高速摄影粒子轨迹测试结果与CFD计算值对比表明,本文的数值计算模型能够满足该流场计算精度的需求,对比矩形和环形的惯性粒子分离器数值模拟结果,环形通道模型总压畸变小,总压损失系数低,颗粒的分离效率高。根据环形截面通道几何参数对其气固分离性能的影响,采用正交试验法进行了模型优化。优化模型的粒径分离效率较原模型皆有不同程度的提高,最大工况总压损失也小于3%,可应用于产品的设计中。本文的研究为惯性粒子分离器性能分析提供了可靠的方法,并为其性能优化提供了可靠的数据支持。