منحنی هیدرات در نمودار ‏۴‑۱۶ آمده است. از این منحنی درک می‌شود که در خط L008 و L005 در حال تشکیل هیدرات می‌باشند.

نمودار ‏۴‑۱۶ : منحنی‌های تشکیل هیدرات برای هر سه خط شبکه انتقال

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

در هر خط انتقال گاز مشاهده می‌شود که فشار کاهش می‌یابد و در کل شبکه هر چه به پایان خط انتقال نزدیک می‌شویم افت فشار افزایش آن بیشتر می‌باشد. در بخش مدل سازی دیده شد که در مکان‌هایی که افت فشار زیاد است هسته زدایی بسیار راحت‌تر صورت می‌گیرد. به این خاطر است که در نقاط پایانی خط لوله بیشتر هیدرات تشکیل می‌شود. تغییرات دما نیز مانند فشار در هر خط کاهش می‌یابد که شرایط مناسب را ایجاد می‌کند. در پایان خط انتقال باز هم افت محسوس دما دیده می‌شود. این افت دما و فشار شرایط مساعد تشکیل هیدرات را فراهم می‌کنند. درست است افزایش فشار خود از عوامل تشکیل هیدرات می‌باشد امّا در یک نتیجه گیری برای اولین بار اثبات می‌شود که افت ناگهانی فشار بسیار مهمتر از افزایش فشار برای تشکیل هیدرات می‌باشد. به همین خاطر است در مناطقی از لوله که انقباض و انبساط به واسطه شیر‌ها و… داریم هیدرات در آن مناطق بسیار تهدید کننده هستند.

نمودار ‏۴‑۱۷: تغییرات فشار در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال
در نمودار ‏۴‑۱۸، کاهش دما در همه خطوط انتقال دیده می‌شود. درست است که کاهش دما شرایط تشکیل را مساعد می‌کند امّا انتهای شبکه در خط L008 درجه حرارت بسیار پایین‌تر از کل شبکه است و همواره در انتهای خط نیز کاهش می‌یابد و به این خاطر است که هیدرات در انتهای شبکه بیشتر است.

نمودار ‏۴‑۱۸: تغییرات دما در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال
در نمودار ‏۴‑۱۹، آنتالپی )اندر تافت( مقدار گرمای سیستم در فشار ثابت است. در همین فصل در بخش مقاومت‌ها، نمودار فشار ثابت و دما ثابت تشکیل هیدرات را رسم کردیم. دیدیم که در یک فشار ثابت همواره دما کاهش می‌یابد و ما را به سمت منطقه هیدرات سوق میدهد. در ابتدای شبکه انتقال این گرما همواره کاهش می‌یابد و در انتهای شبکه به خاطر گرمازا بودن واکنش تشکیل هیدرات این مقدار در حال افزایش است.

نمودار ‏۴‑۱۹ : تغییرات آنتالپی در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال
در نمودار ‏۴‑۲۰، در علوم پایه چگالی را مقدار جرم موجود در واحد حجم ماده می‌دانند در صورتی که در علوم پیشرفته، این تعریف از چگالی صحیح نیست و دقیقا تعریف جرم واحد حجم یا جرم مخصوص یا همان دانسیته می‌باشد. در ابتدای شبکه ما دارای هیدرات تشکیل شده توسط خط L005 هستیم و مقدار دانسیته به خاطر افزایش جرم در حجم(ذخیره شدن مولکول‌های گاز درون آب) افزایش می‌یابد. این مسئله در پایان خط L008 نیز جایی که هیدرات به شدت مستعد تشکیل شدن است افزایش می‌یابد. دانسیته در مناطقی که هیدرات تشکیل می‌شود بسیار زیاد است. اینگونه اثبات می‌شود که با دستگاه دانسیته متری با اندازه گیری مقدار دانسیته جریان می‌توان در خط لوله به راحتی نواحی تشکیل هیدرات را پیدا کرد و در آن مناطق از بازدارنده یا هیترهای گرمایی استفاده کرد.

نمودار ‏۴‑۲۰: تغییرات دانسیته در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال
در نمودار ‏۴‑۲۱ ویسکوزیته نیز همانند دانسیته مشاهده می‌شود که در مناطقی که قالب‌های هیدرات تشکیل می‌شوند ویسکوزیته نیز افزایش می‌یابد. البته مقدار ویسکوزیته هرچند مقادیر بسیار کوچکی هستند امّا می‌توانیم با بهره گرفتن از تزریق مواد روان کننده، ویسکوزیته را نیز تغییر دهیم که اثبات می‌شود تغییر دانسیته و ویسکوزیته در خط لوله با توجه به مفاهیم علمی که از قبل از آنها داریم بتوان منجر به کاهش تشکیل هیدرات شویم.

نمودار ‏۴‑۲۱ : تغییرات ویسکوزیته گاز در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال
بررسی سرعت مخلوط بسیار مهم و نیاز به تعمل بیشتر دارد چون دیده می‌شود که سرعت مخلوط در خط L006 هرچند که پایین است امّا در این خط هیدرات نداشتیم و سرعت به طور یکنواختی در طول لوله در جریان بود. در خط L005 همواره هیدرات تشکیل شده باعث بستن خط و کاهش سرعت گاز می‌شود، این خط دارای سرعت قابل قبولی بخاطر کاهش سطح مقطع لوله و فشار گاز است. در فرضیات قبلی اعلام می‌شد که کاهش سرعت عامل مؤثر در تشکیل هیدرات است در حالیکه باید این موضوع اینگونه گفته شود که در مرحله هسته زایی و چسبندگی مولکول‌های آب در جداره لوله، سرعت پارامتر تأثیر گذاری می‌باشد ولی سرعت گاز در حدی نیست که بتواند مانع از تشکیل هیدرات شود. درست است سرعت باعث انتقال مولکول‌های آب می‌شود ولی در تجمع چندین مولکول که دانسیته و ویسکوزیته بالا می‌رود این سرعت توانایی انتقال ذرات، که هم زمان در حال محبوس شدن گاز درون خود است را ندارد و پروفایل سرعت در زمان‌های بیشتر میل به سمت فوقانی لوله پیدا می‌کند و کف لوله محل تجمع آب و مواد زاید می‌شود که بستر خوبی برای تشکیل هیدرات می‌باشد. جدا از عوامل توضیح داده شده در این فصل، قطرات آب همیشه هیدرات باقی نمی‌مانند و به خاطر عوامل مختلف عملیاتی و حتی فصل‌های زمستان و تابستان، قالب‌های هیدرات ذوب و گاز خود را آزاد می‌کنند و آب به انتهای خط انتقال می‌یابد و این آب به خاطر اثر پل و پدیده حافظه بسیار سریعتر هیدرات را تشکیل میدهند که میبینیم در خط L008 سرعت افزایش می‌یابد در حالی که احساس می‌شود در مسیر باید سرعت گاز کاهش یابد امّا اینگونه نشد. اغلب اوقات، هیدرات تشکیل می‌شود، ولی ما همچنان جریان درون لوله را داریم، در این حالت مشکلات ناشی از هیدرات بسیار کمتر است. باید گفت که قالب­های هیدرات به­ ویژه در خط لولۀ میعانات گازی، متخلخل و تراواست]۶۵[. بااین حال، این امر همواره صادق نیست و نباید به­عنوان پیش­فرض همیشگی مدنظر قرار گیرد. یکی دیگر از نکات مهم این است که نباید فرض کنیم که تنها یک قالب خط لوله را می­بندد، بلکه باید خود را برای امکان بسته شدن خط لوله از طریق چندین قالب آماده کنیم. قالب‌ها به نظر می‌رسد همواره بزرگتر می‌شوند و در طول لوله سطح مقطع را برای گاز تنگ تر می‌کنند.

نمودار ‏۴‑۲۲ : تغییرات سرعت مخلوط در طول لوله برای هر سه خط شبکه انتقال
برای اولیه بار نمودار‌های فازی یک خط گاز را رسم نمودیم. به عنوان تحقیقات بعدی می‌توان روی این نمودارها تجزیه و تحلیل بیشتری نمود. ما فقط در بخش J004 (محل تلاقی دو خط ورودی) این نمودار‌ها رسم کردیم در حالی که در تمامی خط‌ها می‌توانیم آنها را رسم کنیم. در خط ورودی و خروجی این منحنی شبنم و حباب در فشار پایین تری ایجاد می‌شوند. بررسی این شبکه زیاد است امّا در این پژوهش فقط در نقطه J004 تأثیر بازدارنده متانول را با غلظت ۲۰ و ۳۰ درصد غلظتی بررسی کردیم که تزریق بازدارنده منحنی تشکیل هیدرات را جابجا می‌کند. نمودار ‏۴‑۲۳ تا نمودار ‏۴‑۲۵ نشان می‌دهند که تزریق بازدارنده می‌تواند منحنی و شرایط تشکیل هیدرات را جابجا نماید.

نمودار ‏۴‑۲۳ : phase Envelope و منحنی هیدرات و بدون تزریق بازدارنده در J004

نمودار ‏۴‑۲۴ : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با ۲۰ درصد غلظت در J004

نمودار ‏۴‑۲۵ : phase Envelope و منحنی هیدرات و بازدارنده متانول با ۳۰ درصد غلظت در J004
انتخاب بازدارنده برتر
یکی از اصلی ترین شرایط تشکیل هیدرات دمای پایین و فشار بالا است. نتایج شبیه سازی نشان می‌دهد با افزایش فشار و تغییرات خیلی کم دما به خاطر افزایش آب در طول لوله، اولاً باعث افزایش میزان ماده تزریقی و غلظت آن می‌شود که علاوه بر بوجود آمدن شرایط تشکیل، تاییدی بر شبیه سازی نیز می باشد. ثانیا، MEG بر خلاف متانول می تواند با کمترین مقدار تزریق و غلظت بیشترین بازدهی را در طول لوله داشته باشد.
بازدارنده‌های ترمودینامیکی با اضافه شدن به سیال باعث تغییر پتانسیل شیمیایی و جابه جایی تعادل ترمودینامیکی تشکیل هیدرات می‌شود به گونه‌ای که منحنی تعادل هیدرات را به سمت دمای پایین‌تر و فشار بالاتر سوق می‌دهد و تا زمانی که سیستم از حالت پایداری دور باشد هیدرات تشکیل نخواهد شد. ساختمان مولکولی این مواد سبب می‌شود که پیوند قوی هیدروژنی این مواد با آب از تمایل مولکول‌های آب به تشکیل هیدرات بکاهد. از مهمترین ترکیبات این گروه می‌توان متانول، MEG و DEG را نام برد. برای مؤثر بودن گلایکول‌ها باید به صورت قطرات بسیار ریزی به درون گاز مرطوب پاشیده شوند. اگر مخلوط یک دستی از گلایکول مایع پاشیده شده و در گاز طبیعی به دست نیامد، گلایکول نخواهد توانست از تشکیل هیدرات گازی جلوگیری کند. این موضوع در تزریق متانول به آن اندازه مهم نمی‌باشد زیرا تمام یا کسر قابل توجهی از متانول به جریان گازی تبخیر شده و یک اثر حفاظتی را اعمال خواهد کرد. در جاهایی که تزریق پیوسته است و با حجم زیاد گاز مواجه هستیم، برای سرمایه گذاری‌های کمتر (بدون بازیافت) و برای تاسیسات موقت و با حجم گاز اندک، به صورت غیر پیوسته، متانول بیشتر مصرف می‌گردد.
تزریق متانول کاملاً با تزریق گلایکول متفاوت می‌باشد زیرا :
اولاً متانول اغلب قابل بازیافت نمی‌باشد لذا تاسیسات بازیافت برای آن لازم نیست.
ثانیاً نباید متانول اتمیزه گردد. صرفا یک پمپ با دبی کم و قابل اندازه‌گیری به این منظور کفایت می‌کند.
متانول به دلیل کارایی، قدرت محافظت، سهولت تزریق و در دسترس بودن، بیشتر به‌طور موقتی برای تخریب کلوخه و به‌شکل دائم برای جلوگیری از تشکیل هیدرات به کار میرود. متانول، ویسکوز نبوده و خورنده نیز نمی‌باشد. با وجود این، فشار بخار بالای آن، سبب اتلاف اساسی آن در فاز گاز می‌شود. علاوه بر این، بازیافت متانول گران است؛ بنابراین توسط تقطیر نسبتاً اغلب به طور دائمی بدون بازیافت مصرف می‌شود. امّا گلایکول ارزانتر می باشد. گلایکول‌ها این مزیت را دارند که به راحتی در فاز مایع قابل بازیافت بوده و توسط تقطیر، بازیابی شده و بازگردانده می‌شوند؛ ولی این عیب را دارند که دارای ویسکوزیته نسبتاً بالایی هستند.
با توجه به مزایا و معایب، شرایط خط انتقال گاز و نتایج شبیه سازی که نشان می‌دهد MEG با کمترین مقدار ماده تزریقی آن هم در غلظت پایین‌تر دارای نتایج بهتری برای بازدارندگی هیدرات است. پس انتخاب MEG یک راهکار صحیح برای خط لوله انتقال گاز می‌باشد.
در بخش نمک‌ها که نمودار‌های تکمیلی آن در زیر آمده است نیز می‌تواند نتیجه گرفت که انتخاب نمک بستگی به شرایط عملیاتی یعنی دما و فشار خط لوله دارد. بازدارنده‌های مختلف با درصد وزنی یکسان در میدان گازی لاوان مورد مقایسه قرار گرفتند که خود نمودار‌ها نتایج را به طور واضح نشان می‌دهند.
۱- با توجه به اینکه قدرت بازدارندگی کلرید سدیم و متانول بسیار نزدیک به هم می‌باشد، امّا غلظت نمک تزریقی در جریان ورودی به خط لوله بدلیل بالا بودن دمای جریان در آن نقاط افزایش یافته به طوریکه پس از رسیدن به نقاط سرد خط لوله رسوب می کند. به عبارت دیگر این گونه ممانعت کننده‌ها در جائیکه احتمال تشکیل هیدرات افزایش می‌یابد با غلظت کمتری وارد عمل می‌شوند. همچنین نسبت به سایر ممانعت کننده‌ها دارای خاصیت خورندگی بیشتری می‌باشند.
۲- با توجه به مطالب فوق می توان نتیجه گرفت که گلایکول‌ها و الکل‌ها بدلیل خورندگی کمتر، عدم رسوب گذاری و عدم واکنش‌های جانبی دارای کارایی بیشتری نسبت به نمک‌ها می‌باشند. همچنین الکل‌ها (متانول) بدلیل قدرت بازدارندگی بیشتر با درصد جرمی برابر در فاز آب و مقرون به صرفه بودن آن از لحاظ اقتصادی نسبت به گلایکول‌ها با در نظر گرفتن شرایط عملیاتی فرایند می‌توانند به عنوان بازدارنده برتر در صنعت مورد استفاده قرار گیرند.
۳- گلایکول‌ها نسبت به نمک‌ها برتری بیشتری دارند. در گلایکول‌ها به ترتیب DEG<Methanol<MEG و در نمک‌ها به ترتیبNa₂SO₄<KBr<KCL<NaCL دارای برتری بیشتری نسبت به هم هستند.
نمودار ‏۴‑۲۶ : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با ۱۰ درصد وزنی
نمودار ‏۴‑۲۷ : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با ۲۰ درصد وزنی
نمودار ‏۴‑۲۸ : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با ۳۰ درصد وزنی
نمودار ‏۴‑۲۹ : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با ۴۰ درصد وزنی
نمودار ‏۴‑۳۰ : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با ۵۰ درصد وزنی
نمودار ‏۴‑۳۱ : مقایسه بازدارنده‌های نمکی تشکیل هیدرات‌گازی میدان لاوان با ۶۰ درصد وزنی
فصل پنجم
نتیجه گیری و پیشنهادات

– اجرای برنامه : پس از تایپ کامل برنامه، باید آنرا اجرا^[۱۴۶] کرد تا اشکالات موجود را رفع نمود و در نهایت جریان را با آن‌ آنالیز نمود.
– اشکال زدایی^[۱۴۷] : به احتمال قریب به یقین، در اولین اجرا، برنامه نوشته شده دارای اشکالات نوشتاری^[۱۴۸] و منطقی می‌باشد. رفع اشکالات نوشتاری بسیار ساده بوده و توسط کامپایلر زبان برنامه نویسی به کاربر اعلام می‌گردد (مانند تعداد نامتناسب پرانتزهای باز و بسته و همچنین قرار گرفتن یک عدد قبل از یک متغییر، مثل ۲Velocity بجای ۲*Velocity). امّا اشکالات منطقی که یافتن آنها بسیار مشکل‌تر می‌باشد، در طی فرایند سعی و خطا و حتی پس از همگرا شدن، نمود پیدا می‌کند(مانند حالتی که یک عبارت زیر رادیکال منفی شود). عمده اشکالات منطقی در فرایند گسسته‌سازی معادلات، استفاده نامناسب توابع ریاضی (مثل، جمع بجای ضرب)، استفاده نابجا از متغییرها (مثل استفاده از مؤلفه افقی بجای مؤلفه عمودی سرعت در یک عبارت)، تعریف نادرست شرائط مرزی، استفاده از گام زمانی نامناسب و غیره می‌باشد.
– کسب نتایج : پس از همگرا شدن حل، جواب‌ها بصورت اعداد ذخیره شده و با یک نرم افزار جانبی(مانند نرم افزارهای Tecplot و یا Excel) پردازش می‌شود. لازم به توضیح است که پردازش نتایج می‌تواند در خود برنامه کامسول نیز گنجانده شود.
پس پردازش نتایج
آخرین مرحله از شبیه سازی جریان به کمک دینامیک سیالات عددی پس پردازش می‌باشد. پس از آنالیز جریان، باید صحن نتایج بدست آمده بررسی شده و مورد تجزیه و تحلیل قرار گیرد. بطور خلاصه در مرحله پس پردازش نتایج لازمست کارهای زیر انجام شود:
– نمایش نتایج بصورت‌های مختلف : نتایج بدست آمده بصورت‌های مختلف چارت، گراف، منحنی، کانتور، فیلم^[۱۴۹]، واقعیت مجازی^[۱۵۰]، جدول و غیره نمایش داده می‌شود.
– تجزیه و تحلیل نتایج : صحت نتایج بدست آمده باید بررسی شده و نقاط ضعف برنامه مورد ارزیابی قرار گیرد. همواره لازم است که صحت برنامه نوشته شده با حل یک مسئله مشابه که نتایج تجربی آن‌ موجود باشد تأیید شود. از طرفی نتایج بدست آمده از اجرای برنامه مذکور مستقل از شبکه تولید شده باشد. به عبارت دیگر شبکه تولید شده به اندازه کافی ریز بود و دارای تراکم مناسب در نواحی که گرادیان‌های هندسی یا جریان زیاد است، باشد.
– ارائه نتایج بصورت‌های مختلف : آخرین گام ارائه نتایج بصورت یک گزارش، تز، رساله، مقاله و سمینار می‌باشد. باید توجه داشت که ارائه درست نتایج نقش مهمی در بازتاب فعالیت انجام‌شده ایفا می‌کند.
نکات مهم در شبیه سازی عددی جریان
برای نوشتن یک برنامه رایانه‌ای و حل عددی میدان جریان، علاوه بر توانایی فردی در برنامه نویسی و دانش کامسول او در زمینه محاسبات عددی، موارد بسیاری وجود دارد که باید در نوشتن برنامه به آن‌ توجه ویژه داشت. بدیهی است که نادیده گرفتن موارد مهم زیر در شبیه سازی دینامیک سیالات عددی، موجب کاهش کارایی و حتی عدم اعتماد به برنامه می‌شود.

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

– تولید شبکه : تولید یک شبکه مناسب تأثیر بسیار زیادی در دقت نتایج بدست آمده خواهد داشت. لازم است در نواحی که گرادیان‌های جریان زیاد است و یا سطح جسم از لحاظ هندسی با تغییرات زیادی همراه است، شبکه از تراکم مناسبی برخوردار باشد. همچنین، جواب نهایی مستقل از شبکه^[۱۵۱] باشد. بعبارت دیگر، شبکه باید تا اندازه‌ای ریز شود که تمام مقیاس‌های طولی و زمانی جریان را صید کرده و با ریزتر کردن آن‌ تغییری در نتایج محاسبه شده حاصل نگردد. توجه شود که شبکه‌ای که بیش از حد ریز شود علاوه بر بحث افزایش زمان رایانه، عواقبی از قبیل اضافه شده خطاهای همگرایی نیز دارد.
– شرائط مرزی : تعریف دقیق مرزی از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است. در صورتی تعریف نامناسب شرایط مرزی احتمال واگرا شدن حل بسیار بوده و حتی در صورت همگرا شدن نتایج بدست آمده به هیچ عنوان قابل اعتماد نیست (استفاده از شرائط مرزی نامناسب به معنی حل یک مسئله متفاوت می‌باشد).
– مدلسازی آشفتگی : خیلی از رژیم‌های جریان آشفته می‌باشد. بسته به نوع رژیم جریان آشفته و هندسه مرزها باید از مناسب ترین مدلسازی آشفتگی استفاده نمود.
– حساسیت برنامه : برنامه نوشته شده تا حد ممکن نباید حساس باشد. در شبیه سازی توسط برنامه‌های دینامیک سیالات عددی مثل کامسول این حساسیت ممکن است مربوط به شرائط مرزی، الگوریتم و یا شبکه تولید شده باشد.
– پایداری : در برنامه‌هایی که از روش‌های صریح برای حل عددی میدان جریان استفاده می‌شود، امکان ناپایداری در فرایند حل بسیار زیاد است. بنابراین، لازم است در تعریف گام زمانی و کیفیت شبکه تولید شده، دقت شود.
– راندمان (نرخ همگرایی) : یکی از معیارهای کارائی یک برنامه راندمان آن‌ می‌باشد. در صورتیکه گسسته سازی معادلات‌حاکم و الگوریتم‌های استفاده شده و همچنین کیفیت شبکه مطلوب باشد، راندمان برنامه افزایش می‌یابد.
– غیر حساس بودن به تغییرات جزئی شبکه^[۱۵۲] : برنامه تولید شده باید از این ویژگی برخوردار باشد که با تغییر جزئی شبکه، نتایج بدست آمده بطور چشمگیر تغییر نیابد.
– دقت حل : یکی از مهمترین ویژگی‌های یک برنامه دینامیک سیالات عددی دقت آن‌ است. استفاده از روش‌های گسسته سازی مرتبه بالاتر و همچنین بهره گیری از دقت مضاعف^[۱۵۳] و شبکه‌های ریز از جمله راهکارهای افزایش دقت در کسب نتایج بهتر می‌‌باشد.
– گرافیک : در پردازش نتایج بدست آمده، نمودارها، منحنی‌ها، کانتورها(خطوط همتراز) و غیره، نقش غیر قابل انکاری در ارائه مناسب نتایج دارد. استفاده بهینه از این ویژگی‌ها، موجب افزایش بینش محقق در مورد نتایج و همچنین افزایش کیفیت ارائه آنها می‌شود.
– توانائی رایانه : یک برنامه کارآمد دینامیک سیالات عددی بدون سخت افزار مناسب، عملاً غیر قابل استفاده است. اگر چه در سالیان اخیر سخت افزارهای رایانه‌‌ای پیشرفته چشمگیری داشته، امّا هنوز مسائل بی‌شماری وجود دارد که نمی‌توان آنها را با بهره گرفتن از پیشرفته‌ترین رایانه‌های شخصی شبیه سازی نمود. برای رفع این مشکل از ابر رایانه‌ها و یا سیستم‌های پردازش موازی استفاده می‌شود.
چگونگی شبیه سازی عددی جریان
اولین گام در شبیه سازی جریان به کمک دینامیک سیالات عددی، تکه تکه کردن قلمرو فیزیکی به نواحی کوچک (شبکه بندی) و حل معادلات‌حاکم در هریک از نواحی (در متدهای حجم محدود^[۱۵۴] و المان محدود^[۱۵۵]) و یا تبدیل آن‌ به دامنه محاسباتی با بهره گرفتن از متریک‌ها و ژاکوبین‌ها (در متدهای تفاضل محدود^[۱۵۶]) می‌باشد. بنابراین تولید‌شبکه‌عددی‌مناسب برای تمامی کاربردهای دینامیک‌سیالات‌عددی امری ضروری‌است.
تبدیل معادلات حاکم بر جریان از فرم دیفرانسیلی به فرم گسسته (معادلات‌جبری) نیز باید در تمام کاربردهای دینامیک سیالات عددی انجام شود. البته در متدهای حجم محدود و المان محدود، فرم انتگرالی معادلات حاکم و در کاربردهای تفاضل محدود، فرم دیفرانسیلی معادلات‌حاکم مد نظر می‌باشد. لازم به توضیح است که تبدیل معادلات‌دیفرانسیل به معادلات‌جبری با بهره گرفتن از روش‌ها و الگوریتم‌های متعدد گسسته سازی امکان پذیر است.
پس از تبدیل معادلات‌حاکم به فرم معادلات‌جبری، باید دستگاه معادلات‌جبری حل شود. در روش‌های ضمنی دستگاه معادلات برای تمام المان‌ها همزمان حل می‌شود که این امر حافظه بسیاری بخصوص برای جریان‌های سه بعدی طلب می‌کند. در روش‌های صریح، دستگاه معادلات برای المان‌ها مستقل از یکدیگر حل می‌شود که حافظه مورد نیاز را شدیداً کاهش می‌دهد.
مشکلات عمده
موارد متعددی وجود دارد که در شبیه سازی جریان با کاربردهای مختلف دینامیک سیالات عددی، به عنوان مشکل مطرح می‌شود که البته قابل حل می‌باشند. عمده‌ترین این مشکلات عبارتند از:
هندسه‌های پیچیده
رژیم‌های جریان پیچیده
محدوده‌های محصور نشده (مرزها)
معادلات مخلوط (معادلات بیضوی، هذلولی و سهموی) که عمدتاً در جریان‌های پیچیده ظاهر می‌شوند
امواج شوک، آشفتگی جریان، گردابه‌ها، فازهای مختلف جریان، احتراق، اثرات لزجت
زمان آنالیز جریان و هزینه تمام شده
خطا‌ها
در حل‌عددی معادلات توسط رایانه همواره خطا وجود دارد. در دینامیک سیالات عددی علاوه بر خطاهای ناشی از حل عددی، خطاهای ناشی از مدلسازی فیزیکی و ریاضی نیز وجود دارد. باید توجه داشت که موضوع یاد شده این مفهوم نیست که نتایج در دینامیک سیالات عددی قابل اعتماد نیست. بلکه معمولا دقت آن‌ نسبت به نتایج تجربی کمتر است. خطاها در دینامیک سیالات عددی، غیر قابل حذف است. امّا می‌توان آنها را بطور چشمگیری کاهش داد. مسلماً با کاهش خطاهای موجود بر دقت نتایج بدست آمده افزوده می‌شود. در ادامه، مهمترین خطاها و راهکارهای کاهش آنها توضیح داده می‌شود.
– خطای‌گردسازی^[۱۵۷] : این‌خطا در واقع همان خطای رایانه‌ای می‌باشد که با‌ ‌استفاده از دقت مضاعف کاهش می‌یابد.
– خطای قطع^[۱۵۸] : این خطا از گسسته سازی معادلات‌حاکم بوجود می‌آید و با بهره گرفتن از تخمین‌های مرتبه بالاتر یا ریزکردن شبکه کاهش می‌یابد.
– خطای مدلسازی : خطای ناشی از تبدیل مدل واقعی به مدل فیزیکی و از مدل فیزیکی به مدل ریاضی می‌باشد که با انتخاب مدل‌های فیزیکی و ریاضی دقیق‌تر و اعمال شرایط مرزی و اولیه بهتر قابل کنترل‌است.
خطای همگرائی : معمولا این خطا مربوط به روی هم انباشته شدن خطاهای مختلف در مواردی که روش‌های تکرار بکار می‌روند، بوجود می‌آید که با انتخاب‌روش‌های‌تکرار مناسب‌تر مقدار آن‌ کاسته‌می‌شود.
تئوری و فرمولاسیون
در مدل ارائه شده دو بعدی معادلات انتقال جرم، حرارت و مومنتم به صورت هم‌زمان حل می‌شوند تا به بررسی پدیده بپردازیم. با ورود فیزیک‌های زیر و به‌خاطر ناپایدار بودن پدیده باید مطالعه به صورت وابسته به زمان^[۱۵۹] باشد که بررسی متغییر‌های مختلف صورت بپذیرد]۵۹-۶۱[.
Mixture Model, Laminar Flow
Laminar Flow
Heat Transfer in Fluid
Transport of Diluted Species
معادلات Mixture Model, Laminar Flow
برای انجام مدلسازی جریان حاوی ذرات جامد، به معادلات انتقال مومنتوم برای مخلوط، معادله پیوستگی و همچنین معادله انتقال برای فاز جامد نیازمندیم. معادله انتقال مومنتوم به شکل زیرمی باشد:

(۳-۵)

که در آن‌ :
u : سرعت متوسط مخلوط (m/s)
p : فشار (Pa)

(۲-۲) =
(۲-۳)
ادمیتانس =G+JB به‌عنوان به‌عنوان نشان دهنده امپدانس ترانسفورمر و هر فیلتر سری acاست. برای مدل کردن اینرسی سوئیچینگ کانورتر که به علت سوئیچ‌های الکترونیکی و مدارات آن ایجاد می‌شود که تاثیر مستقیم روی دینامیک ولتاژ خازن می‌گذارد استفاده می‌شود.

ثابت به طور مستقیم با شاخص مدولاسیون(m) متناسب است. متغیرهای و در معادله بالا به ترتیب متغیرهای سیستم کنترل داخلی و معادلات است و از اینرو وابستگی زیادی به PWM یا روش کنترل فاز استفاده شده در کنترلر دارد.در کنترلر ولتاژ ساده نشان داده شده در شکل (۲-۵)،متغیر‌ها و معادلات دیفرانسیل یا بلوک‌های کنترلی مختلفی به طور مستقیم رابطه دارند. می‌توان مشاهده کرد که در این کنترلر PWM، دامنه ولتاژ باس acاز طریق شاخص مدولاسیون(m) کنترل می‌شود و این تاثیر مستقیم روی دامنه ولتاژ VSC می‌گذارد. اگر چه زاویه فاز که به طور اساسی شارش توان اکتیو در کنترلر را مشخص می‌کند و شارژ و دشارژ خازن برای کنترل مستقیم دامنه ولتاژ DC استفاده می‌شود.

شکل(۲-۵)کنترل ولتاژPWM یک STATCOM
همچنین توجه کنید که کنترلرها یک بایاس دارند که با مقدار حالت دائمی‌شاخص مدولاسیون برای کنترلر دامنه ولتاژ رابطه دارند و با زاویه خروجی STATCOM برای کنترلر ولتاژ DCنیز رابطه دارند.
مدل حالت دائمی‌را می‌توان به راحتی از معادله قبل با قرار دادن معادلات دیفرانسیل متناظر با معادلات حالت دائمی‌ولتاژ DC و خصوصیات کنترل ولتاژ STATCOM به دست آورد.

شکل(۲-۶) : مدل حالت دائمی
بنابراین معادلات حالت دائمی‌برای کنترلرPWM در اولین معادله می‌باشند،علامت مثبت هنگامی‌استفاده می‌شود که وسیله در مد خازنی کار کند و علامت منفی برای حالتی است که وسیله در مد سلفی کار می‌کند.
(۲-۴)
مشاهده می‌شود که حلقه کنترلر به طور مستقیم نشان دهنده منحنی V-I، STATCOM و محدودیت‌های کنترلر می‌باشد. که در شکل (۲-۷) نشان داده شده است.

شکل(۲-۷) :محدودیت‌های کنترلSTATCOM

۲-۳-۳:مقایسه STATCOM و SVC

SVC و STATCOM از لحاظ قابلیت عملکرد جبرانسازی بسیار به هم شبیه هستند، اما اصول عملکرد آنها اساسا متفاوت است. STATCOM به‌عنوان یک منبع ولتاژ سنکرون عمل می­ کند، در حالیکه SVC به‌عنوان ادمیتانس راکتیو کنترل­شده عمل می­ کند.این تفاوت باعث می­ شود STATCOM از مشخصات عملکرد بهتر و انعطاف­پذیری بیشتری نسبت به SVC برخوردار باشد. شکل (۲-۸) مشخصه (STATCOM (V-I و SVC را مقایسه می­ کند. همانطور که از شکل پیداست در محدوده عملکرد خطی مشخصه (V-I)، قابلیت عملکرد جبران‌سازی SVC و STATCOM مشابه است.
با درنظرگرفتن محدوده عملکرد غیرخطی، STATCOM قادر است، جریان خروجی­اش را در محدوده حداکثر جبرانسازی خازنی و سلفی به صورت مستقل از ولتاژ AC سیستم کنترل کند. در حالیکه حداکثر جریان جبرانسازی قابل حصول با بهره گرفتن از SVC به صورت خطی با ولتاژ سیستم کاهش می­یابد. بنابراین در تامین ولتاژ تحت اغتشاشات بزرگ سیستم که در طی آن­ها ولتاژ سیستم خارج از محدوده خطی است STATCOM بسیار موثرتر از SVC عمل می­ کند.
قابلیت STATCOM در حفظ کامل جریان خروجی خازنی در شرایط ولتاژ پایین سیستم، باعث می­ شود STATCOM در حفظ پایداری گذرای سیستم بسیار موثرتر از SVC عمل کند.
در مواقعی که نیاز به جبرانسازی توان اکتیو است، STATCOM قادر است با بهره گرفتن از پایانه DC خود توان را از یک منبع ذخیره انرژی (باطری، بانک خازنی و غیره) بگیرد و از پایانه AC خود آن­را به شبکه تزریق کند. در حالیکه SVC این قابلیت را ندارد. در جدول (۲-۱) کاربردهای جبران سازهای FACTS بیان شده است.
شکل (۲-۸ ): مقایسه مشخصه V-I SVC و STATCOM
جدول (۲-۱): خلاصه‌ای از کاربردهای جبران سازهای FACTS
۲-۴ معرفی خازن سری کنترل تریستوری TCSC
خازن­های سری کنترل تریستوری همان خازن­های سری معمولی هستند که با اضافه­کردن راکتور کنترل­شونده تریستوری توسعه داده شده‌اند. قراردادن راکتور کنترل­شونده به صورت موازی با خازن­های سری، سیستم جبرانسازی سری با تغییرات سریع و پیوسته را بوجود می‌آورد.
بکارگیری خازن­های سری قابل تنظیم موثرترین روش جبرانسازی راکتیو خطوط انتقال بلند است و ابزار سودمندی جهت کنترل توان انتقال یافته از این خطوط محسوب می‌شود. بدلیل اندوکتانس نسبتاً زیاد، در شرایط عادی (بدون جبرانسازی)، افزایش در توان انتقال­یافته از خطوط انتقال بلند می‌تواند سبب ناپایداری شود.

۲-۴-۱ اهداف جبرانسازی خطوط انتقال توسط خازن­های سری

خازن­های جبرانساز سری عامل موثری در تثبیت خطوط بلند می­باشند. جبرانسازی خطوط انتقال توسط خازن­های سری با اهداف زیر صورت می‌گیرد:
افزایش ظرفیت انتقال و افزایش حد پایداری گذرا
کاهش تلفات (تقسیم توان بین خطوط موازی)

۲-۴-۲میراکردن رزونانس زیر سنکرون (SSR)^[27]

امکان رویداد این پدیده، در خطوط بلند جبرانسازی شده با خازن­های سری، وجود دارد:
کنترل توان خطوط
کاهش افت ولتاژ وابسته به بار
میراکردن نوسانات توان^[۲۸] و در نتیجه بهبود پایداری سیستم
کاهش زاویه و امپدانس خط انتقال
شکل (۲-۹) طرحی از TCSC و نمودار (P-V) مربوط به سیستم انتقال مجهز به TCSC را نشان می‌دهد. افزایش فاصله بین زانوی منحنی (P-V) و نقطه کار خط به معنای افزایش ظرفیت انتقال توان از خط است.

شکل (۲-۹): TCSC و نمودار P-V
۲-۵ معرفی ترانسفورماتور شیفت دهنده فاز PST
شکل (۲-۱۰) دیاگرام شماتیکی یک PST را نشان می‌دهد. ترانسفورماتور شیفت دهنده فاز که به آن تنظیم‌کننده ولتاژ فاز نیز گفته می‌شود به منظور کنترل توان انتقال یافته از خطوط مورد استفاده قرار می‌گیرد.
PST این کار را با تغییر در دامنه و زاویه فاز ولتاژ انجام می‌دهد. همانطور که از شکل پیداست PST از دو ترانسفورماتور و یک مبدل تشکیل شده است. ورودی شیفت­دهنده فاز ولتاژ سه فازی است که توسط ترانسفورماتور تحریک (ET)^[29] فراهم می‌شود و خروجی آن ولتاژ سه فازی (Vp) است که بوسیله ترانسفورماتور سری تزریق (BT)^[30] به خط انتقال تزریق می‌گردد.
مبدل نیز دامنه و زاویه فاز ولتاژ تزریقی را تعیین می‌کند. محدودیت­ها و مزایای PST به مشخصات مبدل آن وابسته است. تنظیم­کننده‌های زاویه فاز سنتی را نیز می‌توان به صورت شکل (۲-۱۰(a)) نمایش داد گرچه مبدل آن را سوییچ­های مکانیکی تشکیل می‌دهد که در ثانویه ترانسفورماتور قرار دارند و نمی‌توان آن­ها را واحدی مجزا در نظر گرفت.
شکل (۲-۱۰(b)) نشان می‌دهد که چگونه با تغییر دامنه و فاز ولتاژ تزریقی (Vp) ولتاژ سیستم (V2) نیز تغییر می‌کند. دایره شکل (۲-۱۰ (b)) ناحیه‌ای که Vp می‌تواند درآن قرار گیرد را نمایش می‌دهد. بنابراین می‌توان توان اکتیو و یا راکتیو انتقالی از خط را با تزریق ولتاژ دینامیکی کنترل‌پذیر مدوله کرد.
مدوله­کردن توان اکتیو و یا راکتیو می‌تواند نوسانات سیگنال کوچک سیستم را میرا کند و پایداری سیستم در برابر اغتشاشات سیگنال بزرگ را بالا ببرد. مهمترین کاربرد PST کنترل توان حقیقی و میراسازی نوسانات توان است. معمولاً دامنه تغییرات ولتاژ بوسیله PST ناچیز و قسمت عمده کنترل توان با تغییر در زاویه ولتاژ خط صورت می‌گیرد. در PSTهای جدید زاویه ولتاژ تزریقی بین ۰ تا ۲ قابل تنظیم است.

۲-۵-۱کاربردهای PST

کاربردهای حالت ماندگار PST شامل موارد زیر است :
کنترل توان خط انتقال

(۴-۶۲)

که در این رابطه:

و و و
(۴-۶۳)

گام سوم در تحلیل فلاتر حل این معادلات برای شرایط پروازی مختلف است که در آن یک حرکت ساده هارمونیک قابل قبول است. با صفر قرار دادن دترمینان ماتریس ضرایب می‌توان مجهولات که همان شرایط پروازی هستند را به دست آورد. این دترمینان، دترمینان فلاتر نامیده می‌شود. فرایند حل معادلات و استخراج مرزهای فلاتر به صورت زیر می‌باشد:

( اینجا فقط تکه ای از متن فایل پایان نامه درج شده است. برای خرید متن کامل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. )

۱- یک مقدار خاص را به (که یک مقدار ثابت می‌باشد) اختصاص می‌دهیم.
۲- مقدار را برابر با صفر قرار می‌دهیم.
۳- مجموعه‌ای از مقادیر را به نسبت می‌دهیم(بین ۰٫۰۰۱ تا ۱).
۴- به ازای هر مقدار توابع ، ، و را محاسبه می‌کنیم.
۵- دترمینان فلاتر را حل می‌کنیم. قسمت حقیقی جواب‌ها متناظر با و قسمت موهومی آن­ها میرایی را مشخص می‌کند.
۶- با رسم نمودار قسمت موهومی جواب بر حسب و یافتن محل برخورد آن با خط صفر، ای که به ازای آن قسمت موهومی صفر می‌شود را می‌یابیم.
۷- مقادیر و را محاسبه می‌کنیم.
۸- مراحل ۳ تا ۷ را آنقدر تکرار می‌کنیم که مقادیر ، k_F و U_F همگرا شود.
۹- کل فرایند را برای مقادیر مختلف (که یک مقدار مشخص برای هر هواپیما می‌باشد) تکرار می­کنیم تا مرزهای فلاتر را مشخص کنیم.

• روش­های مهندسی برای تعیین فلاتر

همانطور که در بخش قبل دیده شد در روش­های تحلیل کلاسیک فلاتر، حرکت به صورت هارمونیک در نظر گرفته می‌شود. این کار دارای مزایا و معایبی می‌باشد. از عیب‌های عمده این روش­ها آن است که یافتن مرز فلاتر نیاز به یک پروسه تکرار دارد که کاری وقتگیر می‌باشد.
در تحلیل‌های مهندسی دو نکته دیگر نیز دارای اهمیت است، نخست تعیین ناحیه پایداری در شرایط پرواز در اطراف مرزهای فلاتر می‌باشد و دومین نکته و مهمترین آن، یافتن مکانیزم فیزیکی است که باعث ایجاد فلاتر می‌گردد. با دانستن این دو موضوع یک مهندس قادر خواهد بود که تغییراتی که باعث حذف ناپایداری می‌گردد را طراحی کند. هنگامی که یک تئوری آیرودینامیک ناپایا در دسترس باشد روش به راحتی این کار را انجام می‌دهد. در این بخش روش­هایی که یک مهندس می‌تواند این کار را انجام دهد، ارائه می‌شود.

• روش فرکانسی

در این روش برای یافتن فلاتر تنها پیدا کردن قطب‌های تابع تبدیل لازم است. به این منظور قسمت حقیقی( ) و قسمت موهومی( ) فرکانس مختلط بر حسب سرعت رسم می‌گردد. به عنوان مثال برای یک سطح مقطع دو درجه آزادی دو ریشه به دست می‌آید که در صورتی که سرعت جریان سیال کم باشد این ریشه‌ها به سمت فرکانس‌های طبیعی سازه میل می‌کنند. همانطور که در شکل (۴-۶) نشان داده شده است فلاتر زمانی رخ می‌دهد که یکی از ها منفی شود. به حالتی که های دو ریشه مختلف به یکدیگر رسیده‌‌اند بر روی شکل دقت کنید. این وضعیت نیز یکی از حالت‌های فلاتر می‌باشد.

شکل۴-۶: نمودار قسمت­ های حقیقی و موهومی نسبت به سرعت ]۲۱[

• روش v-g(روش k)

بر اساس روش تئودورسون برای تحلیل فلاتر، روش­های عددی دیگری برای یافتن ریشه‌های دترمینان فلاتر و همچنین مشخص نمودن مرزهای ناپایداری ایجاد شده است. معمولا در تحلیل فلاتر رایج است که یک پارامتر که اثرات میرایی سازه‌ای را نیز لحاظ می‌کند در نظر گرفته می‌شود. مشاهدات در زمان ایجاد این روش نشان می‌داد که انرژی تلف شده در هر سیکل از ارتعاشات هارمونیک با مجذور مقدار متناسب است در حالی که مستقل از فرکانس می‌باشد. این رفتار می‌تواند با یک نیروی میراکننده که متناسب با جابجایی است مدل شود.
برای در نظر گرفتن این میرایی سازه‌ای در آنالیزهای فلاتر، معادلات به صورت زیر در می ­آید:

شبکه های حسگر بی سیم:
از انواع شبکه های اقتضایی می توان به شبکه های حسگر بی سیم اشاره کرد که شامل تعدادی حسگر است که در یک ناحیه ی جغرافیایی توزیع شده اند. هر حسگر دستگاه الکتریکی با قابلیت ارتباط بی سیم، پردازش سیگنال، منبع توان، حافظه محدود، فرستنده و گیرنده رادیویی و امکان اندازه گیری پارامترهایی مثل حرارت، سرعت، نور، ارتعاش، فشار، رطوبت و سیستم مکان یابی جهانی می باشد. گره های حسگر، حس و ارزیابی اطلاعات را از محیط زیست بر اساس فرایندهای تصمیم گیری محلی بدست می آورند. هرگره به طور مستقل کار می کند و نوعا از لحاظ فیزیکی بسیار کوچک است و دارای محدودیت هایی در قدرت پردازش، ظرفیت حافظه و منبع تغذیه می باشد. این شبکه‌ها شامل مجموعه‌ای از گره‌های توزیع شده‌اند که بدون پشتیبانی مدیریت مرکزی یک شبکه ی موقت را می‌سازند. طبیعی‌ترین مزیت استفاده از این شبکه‌ها عدم نیاز به ساختار فیزیکی و امکان ایجاد تغییر در ساختار آنهاست ]۱[.
تعداد گره های حسگر در یک شبکه حسی می توانند چندین برابر ترمینال های شبکه اقتضایی باشد. چگالی پیاده سازی شبکه های حسگری بسیار زیاد است. گره های حسگر در معرض حملات زیادی قرار دارند گره­ های حسگر عمدتا از الگوی مخابرات همه پخشی استفاده می کنند در صورتی که اکثر شبکه‏ های اقتضایی بر مبنای مخابرات نقطه به نقطه هستند.

انواع شبکه های حسگر بی سیم بر اساس استقرار:
شبکه های حسگر بی سیم بر مبنای استقرار گره ها به دو نوع استاتیکی و دینامیکی تقسیم می شوند. در حالت استاتیکی، گره ها در محیط مستقر می شوند و سپس بدون اینکه حرکتی داشته باشند، سنجش موارد مورد نیاز را از محیط انجام می دهند اما در حالت دینامیکی گره ها در حال حرکت به مقوله ی سنجش محیط می پردازند]۲[ و ]۳[.

کاربردهای شبکه حسگر بی سیم:
کاربردها به سه دسته نظامی، تجاری و پزشکی تقسیم می شوند. سیستم های ارتباطی، فرماندهی، شناسایی، دیده بانی، میدان مین هوشمند و سیستم های هوشمند دفاعی از کاربردهای نظامی می باشد. در کاربردهای مراقبت پزشکی می توان به سیستم های مراقبت از بیماران ناتوان که مراقبی ندارند، اشاره کرد. محیط های هوشمند برای افراد سالخورده و شبکه ارتباطی بین مجموعه پزشکان با یکدیگر و پرسنل بیمارستان و نظارت بر بیماران از جمله کاربرد های آن است. کاربردهای تجاری طیف وسیعی از کاربردها را شامل می شود مانند سیستم های امنیتی تشخیص و مقابله با سرقت، آتش سوزی (درجنگل)، تشخیص آلودگی های زیست محیطی از قبیل آلودگی های شیمیایی، میکروبی، هسته ای، سیستم های ردگیری، نظارت و کنترل وسایل نقلیه و ترافیک، کنترل کیفیت تولیدات صنعتی، مطالعه در مورد پدیده های طبیعی مثل گردباد، زلزله، سیل، تحقیق در مورد زندگی گونه های خاص از گیاهان و جانوران و امثال آن. در برخی از کاربردها نیز شبکه حسگر به عنوان گروهی از روبوت های کوچک که با همکاری هم فعالیت خاصی را انجام می دهند استفاده می شود ]۱[ ، ]۲[ و ]۳[ .

(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت feko.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

دیگر خصوصیت‌های منحصر به فرد شبکه‌های حسگری، توانایی همکاری و هماهنگی بین گره‌های حسگری است. هر گره حسگر روی برد خود دارای یک پردازشگر است و به جای فرستادن تمامی اطلاعات خام به مرکز یا به گره‌ای که مسئول پردازش و نتیجه‌گیری اطلاعات است، ابتدا خود یک سری پردازش‌های اولیه و ساده را روی اطلاعاتی که به دست آورده است، انجام می‌دهد و سپس داده‌های نیمه پردازش شده را ارسال می‌کند. با این که هر حسگر به تنهایی توانایی ناچیزی دارد، ترکیب صدها حسگر کوچک امکانات جدیدی را عرضه می‌کند. ‌در واقع قدرت شبکه‌های حسگر بی سیم در توانایی به‌کارگیری تعداد زیادی گره کوچک است که خود قادرند سرهم و سازماندهی شوند و در موارد متعددی چون مسیریابی هم‌زمان، نظارت بر شرایط محیطی، نظارت بر سلامت ساختارها یا تجهیزات یک سیستم به کار گرفته شوند. شبکه‌های حسگر با انگیزه استفاده در کاربردهای نظامی مانند نظارت بر میدان جنگ، توسعه پیدا کردند. اما امروزه شبکه‌های حسگر بی سیم در صنعت و بسیاری از مقاصد غیر نظامی استفاده می‌شوند، از جمله نظارت و کنترل فرآیندهای صنعتی، نظارت بر سلامت دستگاه ها، نظارت بر محیط و یا خانه، کاربردهای مراقبت از سلامتی، خانه‌های هوشمند و کنترل ترافیک ]۲[ و ]۳[.

مزایای شبکه های حسگر بی سیم:
سرعت توسعه آن زیاد است. به سادگی و با صرف هزینه پایین قابل پیاده سازی می باشند. مانند سایر شبکه های بی سیم، به زیر ساخت نیاز ندارد و پیکر بندی خودکار دارند. هر یک از ایستگاه ها به عنوان یک مسیریاب نیز ایفای نقش می کنند. انعطاف پذیر بودن شبکه ی حسگر بی سیم “به عنوان مثال، دسترسی به اینترنت از نقاط مختلف موجود در محدوده تحت پوشش شبکه امکان پذیر است.”. دو ایستگاه موجود در شبکه می توانند به طور مستقل از دیگر ایستگاه ها، با یکدیگر ارتباط برقرار کرده و به انتقال اطلاعات بپردازند]۲[.

معایب شبکه های حسگر بی سیم:
مباحث مربوط به مصرف انرژی و توان یکی از عوامل محدود کننده در استفاده از این شبکه است. نحوه ی استقرار حسگرها برای سنجش محیط نیز دارای مشکلات خاص خودش می باشد که باید برای حل آن چاره اندیشی کرد. حافظه ی محدود گره ها نیز یکی دیگر از عوامل مشکل زای شبکه حسگر بی سیم می باشد]۲[.

ساختمان گره های شبکه:
ساختمان داخلی هر گره از واحد حسگر، کارانداز، واحد پردازش داده ها، واحد فرستنده گیرنده بی سیم و منبع تغذیه تشکیل شده است. بخش های اضافی شامل واحد متحرک ساز، سیستم مکان یاب و تولید توان نیز ممکن است بسته به کاربرد در گره ها وجود داشته باشد.
واحد حسگر: این واحد شامل یک سری حسگر و مبدل آنالوگ به دیجیتال است که اطلاعات آنالوگ را از حسگر گرفته و به صورت دیجیتال به پردازنده تحویل می دهد.
واحد کارانداز: شامل کارانداز و مبدل دیجیتال به آنالوگ می باشد. فرامین دیجیتال را از پردازنده گرفته و به کارانداز تحویل می دهد.
واحد پردازش داده: شامل یک پردازنده ی کوچک و یک حافظه با ظرفیت محدود است. داده ها را از حسگرها گرفته و بسته به کاربرد، پردازش محدودی روی آن ها انجام می دهد و از طریق فرستنده ارسال می کند. واحد پردازش مدیریت هماهنگی و مشارکت با سایر گره ها در شبکه را انجام می دهد.
واحد فرستنده گیرنده: واحد فرستنده گیرنده ارتباط گره با شبکه را برقرار می کند.
واحد تامین انرژی : توان مصرفی تمام بخش ها را تامین می کند. اغلب یک باتری با انرژی محدود است. محدودیت منبع انرژی یکی از تنگناهای اساسی است که در طراحی شبکه های حسگر، همه چیز را تحت تاثیر قرار می دهد. در کنار این بخش ها ممکن است واحدهایی برای تولید انرژی مثل سلول های خورشیدی وجود داشته باشد. در گره های متحرک، واحدی برای متحرک سازی وجود دارد.
اهداف کلی طراحی شبکه:
اولین و مهمترین هدف طراحی شبکه ی حسگر بی سیم افزایش دوره ی حیات شبکه است. دومین هدف شامل اهداف سطح بالا می باشد که همان مقیاس پذیری و استحکام و سادگی طراحی شبکه می باشند. هدف سوم مربوط به اهداف کیفیت سرویس می باشد که شامل اتصال شبکه و پوشش حسی و نسبت تحویل داده، کیفیت نظارت، زیرکی و مصرف انرژی بهینه می باشد.
در شکل ۱-۲ اهداف طراحی شبکه حسگر بی سیم نشان داده شده است.
شکل ۱-۲: اهداف طراحی شبکه حسگر بی سیم ]۲[
۱-۹) خصوصیات مهم شبکه های حسگر بی سیم:
وابسته به کاربرد: به دلیل ادغام فناوری های حسگر، پردازش و ارتباطات، محدوده وسیعی از کاربردها امکان پیاده سازی در شبکه های حسگر بی سیم را دارند. اما باید توجه داشت که نمی توان برای تمام کاربردها یک سناریو را اجرا نمود، بلکه هر کاربرد، پیکربندی و پروتکل مخصوص به خود را نیاز دارد. به عنوان مثال شبکه های حسگر با تراکم پایین از حسگرها و نیز با تراکم بالایی از حسگرها کار می کنند. در حالیکه پروتکل های این دو حالت بسیار با یکدیگر متفاوت می باشند.
تعامل با محیط: به دلیل تعامل شبکه های حسگر با محیط اطرافشان، خصوصیات ترافیکی آنها با دیگر شبکه های موجود متفاوت می باشد. به طور معمول شبکه های حسگر دارای ترافیکی با نرخ پایین هستند، اما در مواقعی که پدیده مورد نظر روی می دهد دارای ترافیک انفجاری می گردند.
مقیاس پذیری: به صورت تئوری، شبکه های حسگر دارای تعداد بسیار بیشتری نهاد می باشند که نیاز به راه حل هایی متفاوت و مقیاس پذیرتر دارند.
انرژی: دراین شبکه ها منابع انرژی محدود بوده و مصرف انرژی مهمترین معیار برای پیکربندی آنها می باشد. در بعضی موارد، باتری موجود در گره های حسگر قابل شارژ دوباره نیست و به همین دلیل نیاز به طول عمر بیشتر حسگر می باشد.
خود پیکربندی: شبکه های حسگر نیاز به خود پیکربندی برای دارا بودن شبکه ای پیوسته دارند، اما به دلیل تفاوت در ترافیک و انرژی مصرفی روش های متفاوتی مورد نیاز می باشد. به همین دلیل گره های حسگر نیاز به درک محل جغرافیایی خود دارند.
قابلیت اطمینان و کیفیت سرویس: شبکه های حسگر بی سیم، مفاهیم متفاوتی از قابلیت اطمینان و کیفیت سرویس را ارائه می دهند. در حال حاضر سرویس هایی که توسط شبکه های حسگر ارائه می شود کاملا مشخص نیستند. در بعضی موارد ارسال عادی بسته کافی بوده و در بعضی موارد نیاز به اطمینان بسیار بالا در ارسال داریم. نرخ ارسال بسته معیار کاملی نمی باشد. مساله مهم، مقدار و کیفیت اطلاعات ارسالی به گره ی مورد نظر در مورد پدیده مشاهده شده می باشد.
سادگی: به دلیل کوچک بودن گره ها و محدود بودن انرژی، نرم افزار مورد استفاده در سطح شبکه و گره ها باید بسیار ساده تر از نرم افزارهای امروزی باشند. این سادگی نیاز به تغییر در لایه های استاندارد شبکه دارد. هنگامی که تعداد زیادی از گره های حسگر به صورت متراکم در کنار هم قرار گرفته باشند، گره های همسایه بسیار به یکدیگر نزدیک خواهند بود؛ در نتیجه ارتباط چند پرشه در شبکه های حسگر در مقایسه با ارتباطات مرسوم تک پرشه بسیار انرژی کمتری مصرف می نماید. بنابراین میزان انرژی ای که برای ارتباطات استفاده می شود پایین می آید.
یکی از مهمترین محدودیت های موجود در گره های شبکه های حسگر، کمبود منابع انرژی است. گره های حسگر معمولاٌ حاوی منابع انرژی محدود و غیر قابل تقویتی هستند. بنابراین بر خلاف شبکه های قدیمی که دسترسی به کیفیت سرویس، هدف اصلی می باشد، در پروتکل های شبکه های حسگر تکیه بر مصرف بهینه منابع است. گره ها باید مکانیزم های تعادلی که به کاربر نهایی امکان افزایش طول عمر شبکه را از طریق پهنای باند کمتر یا افزایش تاخیر ارسال می دهد را در خود ایجاد نمایند.
۱-۱۰) نتیجه گیری فصل اول:
در این فصل به صورت اجمالی با شبکه ی حسگر بی سیم آشنا شدیم. به نظر می‌رسد که شبکه‌های WSN کلاس جدیدی از شبکه‌های مخابراتی را به ما معرفی کرده‌اند. این شبکه‌ها به ما این قدرت را می‌دهند که بفهمیم در یک محیط فیزیکی که حتی حضور انسانی ممکن نیست، چه می‌گذرد. این توانمندی مهم و منحصر به فرد با ترکیب قابلیت‌های حسگرهای الکترونیکی و فناوری‌های پیشرفته شبکه‌های مخابراتی حاصل شده است. البته پیشرفت‌های بیشتر در این حوزه منوط به انجام تحقیقات بیشتر مخصوصا در حوزه استانداردسازی و مباحث اقتصادی است. هرچند امروزه تولید انبوه و ارزان‌ قیمت تراشه‌های الکترونیکی ممکن شده است؛ اما در حال حاضر برای تولید و ایجاد شبکه‌ای کم هزینه برای کاربرد‌های صنعتی و کشاورزی و نیز توسعه بازار تجاری آن به تلاش‌های بیشتری نیاز است.
همان طور که در اهداف کلی طراحی شبکه اشاره کردیم یکی از اهداف مهم، پوشش حسی شبکه می باشد که این مهم به طور مستقیم و غیر مستقیم با اهداف ذکر شده ی دیگر در ارتباط است. در فصول بعدی به مسئله ی پوشش و ارتباطش با دیگر مسائل مربوط به طراحی شبکه می پردازیم.
فصل دوم: مسئله ی پوشش^[۴] در شبکه های حسگر بی سیم
در این فصل به مفهوم پوشش و انواع تقسیم بندی آن پرداخته می شود و شعاع های حسی و مخابراتی گره ها معرفی می گردد و به تفاوت مفاهیم پوشش و اتصال در شبکه های حسگر بی سیم و به مسئله ی حفره ی پوششی و شبکه ی نامتصل و متصل اشاره می شود.
۲-۱) پوشش چیست؟
یکی از مسائلی که در مورد شبکه‌های حسگر مطرح می‌باشد، چگونگی پوشش دادن محیط توسط حسگرها است. مسئله ی پوشش حول یک سوال اساسی تشکیل می شود: چگونگی مشاهده ی فیزیکی فضا توسط حسگرها. محیط وقتی توسط حسگرها پوشش داده می شود که در محدوده ی شعاع حسی گره ها قرار بگیرد. تقسیم بندی های متفاوتی در مورد پوشش شبکه‌های حسگر بیان شده است و هرکدام از یک دید خاص روش ها را تقسیم کرده اند ]۳[.
۲-۲) تقسیم بندی اول انواع پوشش: