改善曝气压缩机的效率可有效节省成本和能耗。
多数污水处理厂都会利用废水中自然产生的微生物快速降解可形成二氧化碳和水的有机物质。曝气是污水处理厂的重要工作，通过向污水中注入空气来加速有机污染物中的好氧生物降解。注入空气的压缩机需要消耗大量的电力，才能克服水位高度的反压力以及空气喷射系统的损耗，这种情况的耗电量实在非常巨大。例如，在美国约有20000家市政污水处理厂，其耗电量约占美国发电总量的4%，而曝气过程中的空气压缩操作估计占到该用电量的大约60%。
曝气过程是市政污水处理厂的一笔巨大开支，改善曝气压缩机的效率有望大幅减少成本与能耗。Continental Industrie公司在离心式鼓风机和排气产品的研发、制造领域拥有40年的丰富经验。公司的工程师利用ANSYS集成型涡轮机械设计系统设计了用于废水曝气的新一代离心式压缩机，与上一代压缩机相比可将效率提高2%至5%。对于一家普通的污水处理厂而言，这种效率提升能节省15kW至50kW的电能。按每年运行时间2000小时、电价为0.20美元/kWh计算，每台压缩机每年可节省6，000至20，000美元。工程师利用优化算法探索1-D、2-D和3-D设计，使设计一次性成功，同时还能最大限度减少建模和计算工作量。
传统的设计方法
离心式压缩机涉及众多设计变量，每一种变量以及变量之间的相互作用都对最终产品的性能具有相当复杂的影响。在设计上一代压缩机产品时，经验丰富的设计人员使用的是经验法则。首先使用一维分析和工程直觉获得具备合理效率等级的初始设计。然后再构建一个试验台模型，用于进行粗略的性能测量。经验丰富的涡轮机械设计人员检查测试结果，并有根据地推测哪种设计变更有可能显著提高性能。这些设计人员确实能实现明显的改善，但他们无法完全优化设计。全尺寸原型不能始终满足设计规范．这需要额外讲行更多次成本高昂的原型构建和物理测试。
图1 新压缩机设计中使用的ANSYS Workbench几何结构和CFD仿真工作流程原理图
图2 新型离心式压缩机
Continental Industrie在设计流程之初即使用仿真来优化设计方案。
为了设计用于污水处理行业的最新单级离心式压缩机，Continental Industrie在构建物理原型之前，从设计流程之初就使用仿真来优化设计方案。ContinentalIndustrie之所以选择ANSYS集成型涡轮机械设计方案，原因如下：ANSYS解决方案的易用性使其可以在短时间内定义完整的工作流程和方法；ANSYS参数化平台允许团队探索完整设计空间，以高准确度确定最佳解决方案，而无需再做猜测；流体和结构工程团队都使用相同的设计几何结构，因此可方便地在优化方案中包含两种仿真类型。
图3 ANSYS Workbench使工程师能方便地设计和优化压缩机。
初步设计
Continental Industrie的工程师使用ANSYS Vista CCD工具（集成在ANSYS BladeModeler软件中）进行初步设计，或者根据输入参数（例如压力比、质量流率、旋转速度和其他几何约束）设置压缩机的尺寸。为了充分了解不同参数的影响，他们手动评估了大约50种叶轮片，然后使用ANSYS DesignXplorer进行设计试验，对大约200多种设计方案进行评估，以便从1D角度充分优化设计。Vista CCD运行时间非常短，因此评估每种设计只需花费不到一分钟。
图4 工程师使用仿真满足新产品的设计目标。
接下来，工程师使用ANSYS Vista TF评估2D叶栅设计。
通流解决方案以更少的计算工作量捕获到了完整3D流体仿真的众多特性。另外，此阶段还执行了一个额外步骤，即在叶轮环境下优化叶片。在这个阶段，Continental Industrie的工程师检查了20种不同设计，对参数只做了很小的修改，但却获得了显著的效率提升。
完整的3D压缩机设计
下一步是将叶轮集成到完整的3D压缩机中。Continental Industrie的工程师在SolidWorks计算机辅助设计软件中制作出完整流动路径的几何结构，包括入口导流叶片、叶轮、扩散器和蜗形外壳等。工程师将几何结构导入ANSYS DesignModeler后，ANSYS Meshing平台生成蜗形外壳流体通过压缩机的总压力变化。
图5 由ANSYS CFX计算的中跨压力场。
体积中的网格，而ANSYS TurboGrid自动生成所有叶片组件（包括入口导流叶片、叶轮和扩散器）的六面体网格。工程师利用ANSYS CFX计算流体动力学(CFD)软件将扩散器和蜗壳中的流量损失降到最低，然后又使用ANSYS DesignXplorer执行另一项包含约250种设计方案的试验，从而对系统进行重新优化。
图6 使用ANSYS CFD进行3D流体仿真使Continental Industrie能显著提升离心式压缩机的性能。
图7 执行叶轮的模态分析
图8 对压缩机叶片上的应力场进行仿真，以确保可靠性。
结构设计
此外，工程师还使用ANSYS Workbench；将来自ANSYS CFD的压力和温度预测数据链接到ANSYS Mechanical以评估叶轮和其他机械组件的应力等级和变形。结构仿真表明，叶轮初始设计所经受的应力值超出了叶轮材料的屈服强度，因此工程师为了确保可靠性增加了叶片厚度。另外，为了能在三个质量流率下检查新设计，工程师还执行了额外的CFD计算。利用ANSYS Mechanical提供的叶轮变形结果可避免叶轮片叶尖与护罩接触。另外，还需执行模态分析，以研究旋转叶轮的振动行为，并确保正常工作条件下不会激起任何谐振频率。
通过采用集成型设计流程在三个独立阶段对压缩机进行优化，Continental Industrie的工程师得以让新产品的效率比公司上代污水曝气离心式压缩机提升2%至5%。新型压缩机不仅能改变流量，同时还能保持恒定压力，因此可将流速降低至流程所需的最小值，从而节省更多能源。在此过程中，整个设计仅由三人的团队完成，而且第一台原型设计就能满足公司的性能要求，Continental Industrie因而实现了显著的成本节省。
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