در سال ۱۳۸۶ خانم زینب ملاکی باهدف کاهش مقدار ناخالصی مرکاپتان موجود در محصول پروپان و بوتان فازهای ۴ و ۵ مجتمع پارس جنوبی از مقدار ppm 80 وزنی به ppm 30 وزنی با نرم‌افزار Aspen روی واحدهای مرکاپتان‌زدایی از پروپان و بوتان (واحد ۱۱۴ و ۱۱۵) شبیه‌سازی‌هایی انجام دادند. برخی از نتایج حاصل‌شده از پروژه ایشان در زیر آمده است:
طراحی واحد شیرین‌سازی پروپان و بوتان فازهای ۴ و ۵ به‌گونه‌ای است که نه‌تنها امکان دستیابی به محصولی با خلوص زیر ppm 30 وزنی ناخالصی گوگرد در آن امکان‌پذیر است بلکه در صورت تنظیم صحیح پارامترهای عملیاتی محصولی با خلوص نزدیک به ppm 5 وزنی مرکاپتان نیز قابل‌دستیابی است [۲۶].
دمای ۴۰ درجه سانتی‌گراد برای برج استخراج پروپان و بوتان دمای مطلوب است [۲۶].

( 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. )

غلظت بهینه سود ورودی به برج‌های استخراج پروپان و بوتان ۹۳/۱۴ درصد وزنی می‌باشد در این صورت مولاریته سود خروجی ۲۹/۴ مولار خواهد بود [۲۶].
با افزایش دبی سود مقدار جداسازی متیل‌مرکاپتان و اتیل‌مرکاپتان از برش پروپان و بوتان بهبود می‌یابد. برای رسیدن به ppm 5 وزنی مرکاپتان در محصول پروپان و بوتان، مقدار سود موردنیاز ورودی به برج استخراج پروپان و بوتان به ترتیب ۰۹۳۰/۰ کیلوگرم محلول سود به ازای هر کیلوگرم پروپان و ۲۰۶۰/۰ کیلوگرم محلول سود به ازای هر کیلوگرم بوتان می‌باشد [۲۶].
در سال ۱۳۹۰ آقای فرهاد بهمنی باهدف بررسی مشکلات موجود در واحدهای مرکاپتان‌زدایی از پروپان و بوتان توسط محلول سود تحقیقاتی روی واحدهای مذکور انجام دادند برخی از نتایج حاصل‌شده از پروژه ایشان در زیر آمده است:
افزایش غلظت کاستیک علاوه بر اینکه امکان تشکیل امولسیون را افزایش می‌دهد، دمای تشکیل بلور NaOH در محیط را نیز بالا می‌برد [۲۷].
در کاستیک احیاشده عملاً نباید تیوسولفات موجود باشد. غلظت بیش از ppm 1 وزنی این مواد نشان‌دهنده حضور H₂S در واحد است. در این حالت رنگ کاستیک نیز رو به سیاهی می‌رود [۲۷].
غلظت بیش از ppm 1 وزنی از سولفید به معنی بیش‌ازاندازه اکسیدشدن کاستیک است که احتمال تولید پلی سولفید و گرفتگی مسیرها را افزایش می‌دهد. یکی از دلایل افزایش غلظت این ماده بالا بودن دمای برج احیا است [۲۷].
مرکاپتایدها محصول واکنش کاستیک با مرکاپتان‌ها هستند. غلظت این مواد در کاستیک احیاشده نباید کمتر از ppm 30 وزنی باشد. کاهش غلظت (پایین‌تر از ppm 30 وزنی) به معنی بیش‌ازاندازه احیا شدن کاستیک است. این امر موجب انتقال کاتالیزور مورداستفاده به DSO می‌شود. معیار دقیقی برای تعیین حداکثر مقدار مجاز این عدد مشخص نیست اما لازم به ذکر است که افزایش این غلظت باعث کاهش مرکاپتان‌ها در برج جذب می‌شود [۲۷].
بالا رفتن غلظت DSO تا بیش از ppm 200 وزنی در کاستیک احیاشده سبب می‌شود که در برج جذب، DSO وارد فاز هیدروکربنی شده و میزان غلظت کل ترکیبات گوگردی افزایش یابد. برای کاستن از مقدار آن باید زمان اقامت بیشتری به کاستیک در جداکننده داده شود. اضافه کردن موادی (موسوم به Wash Oil) که DSO را در خود حل می‌کنند و اختلاف چگالی زیادی با محلول کاستیک دارند، سبب می‌شود از غلظت DSO در کاستیک کاسته شود [۲۷].
بهتر است میزان اکسیژن بین ۹% تا ۱۶% باشد. کمتر از این مقدار به معنی کمبود هوا بوده که دلیلی بر وجود H₂S در خوراک و ترکیبات سولفاته در کاستیک است. بیش از این مقدار نیز به معنی زیاد بودن هوا یا بالا بودن دمای برج احیاست. از طرف دیگر احتمال کمبود کاتالیزور و عدم انجام واکنش احیا را نیز تقویت می‌کند [۲۷].
شرایط مطلوب جذب با توجه به نوع واکنش، دمای پایین است؛ اما کاهش بیش‌ازاندازه دما باعث همراه برده شدن کاستیک توسط فاز هیدروکربنی می‌شود [۲۷].
عموماً میزان جریان در گردش کاستیک نسبتی از مقدار هیدروکربن هست. دور شدن از مقدار محاسبه‌شده باعث افزایش غلظت کل ترکیبات گوگردی در محصول می‌شود. کم شدن بی‌دلیل مقدار کاستیک در گردش، باعث جذب ناقص می‌گردد و افزایش آن باعث ماندن DSO در کاستیک احیاشده می‌شود [۲۷].
بهتر است دست‌کم ۱۵۰% هوای استوکیومتری به سیستم تزریق شود. کاستن از این مقدار باعث عدم احیای کامل کاستیک می‌شود. از طرفی افزایش آن بیش از ۵۰۰% باعث افزایش اکسیژن حل‌شده در کاستیک می‌گردد که علاوه برافزایش نرخ خوردگی در صورت نفوذ به فاز هیدروکربن می‌تواند خطرآفرین باشد [۲۷].
فصل چهارم:
تشریح شبیه‌سازی و بررسی نتایج حاصل از آن
۴-۱- مقدمه
شبیه‌سازی یا مدل‌سازی ریاضی درواقع تبدیل کیفیت‌های فیزیکی و رابطه متقابل این کیفیت‌ها به کمیت‌های عدد و روابط ریاضی است. بدین ترتیب یک مدل ریاضی شامل متغیرها و مجموعه معادلات وابسته به آن‌هاست که می‌تواند تأثیر متقابل این متغیرها را، همان‌طور که در دنیای واقعی اتفاق می‌افتد نشان دهد. ازاین‌رو یک مدل ریاضی وسیله بسیار مناسبی در دست تحلیل‌گری است که با توسل به آن می‌تواند رفتار یک سیستم را پیش از اعمال واقعی تغییرات پیش‌بینی کند. این خاصیت بخصوص در مورد سیستم‌هایی که امکان اعمال واقعی تغییرات در آن‌ها محدود است، بسیار مفید و کارآمد است.
یکی از مثال‌های مشخص این نوع دستگاه‌ها فرآیندهای شیمیایی است. در این مورد به دلیل تعداد زیادی متغیرهای عملیاتی و مخارج و مخاطرات زیاد تجربه کردن تغییر در هریک از این متغیرها، وجود یک مدل ریاضی که بتواند امکان انجام تجربیات مختلف را به‌سادگی در اختیار تحلیلگر قرار دهد، بسیار ارزشمند و قابل‌توجه است. بدین‌جهت شبیه‌سازی فرآیندها همیشه موردتوجه بوده و فعالیت‌های گسترده‌ای در این مورد صورت گرفته است. از یک نظر شبیه‌سازی فرآیندها درواقع اعمال معادلات موازنه جرم و انرژی به همراه شرایط تعادل فازها در یک سیستم است که معمول جهت سهولت کار به حالت‌پایای سیستم بسنده می‌شود. در این حالت با اعمال شرایط ترمودینامیکی مجموعه معادلات به وجود خواهد آمد که در کنار معادلات متداول موازنه جرم و انرژی مجموعه معادلات همزمانی را تشکیل می‌دهند که درواقع به مدل ریاضی فرایند تعبیر می‌شود.
مدل‌ها غالباً به سه دسته تئوری، نیمه تئوری و تجربی تقسیم می‌شوند. مدل تئوری به‌طور کامل بر اساس قوانین تئوری استوارند مانند راکتور همزن‌دار که در صنعت کاربرد کمتری را دارد. مدل‌های نیمه تجربی بر پایه روابط تئوری و با بهره گرفتن از نتایج اصلاحات تجربی به وجود می‌آیند. معادلات حالت از این دسته‌اند.
مدل‌های تجربی صرفاً بر اساس روابط تجربی شکل‌گرفته‌اند. بااینکه محدود کردن شرایط تعادل به تعادل فازها و حذف واکنش‌های شیمیایی به میزان زیادی از پیچیدگی این مجموعه معادلات کلی می‌کاهد، بااین‌همه حل این معادلات تنها با توسل به روش‌های پیچیده محاسبات عددی و بهره‌جویی از امکانات محاسبات کامپیوتری امکان‌پذیر است. برنامه‌های شبیه‌سازی فرایند درواقع بسته نرم‌افزاری هستند که تشکیل و حل این معادلات را مقدور می‌سازند به‌عبارت‌دیگر شبیه‌سازی عبارت است از به‌کارگیری مدل‌ها و ایجاد ارتباط بین آن‌ها برای توصیف عملی و علمی شرایط و حالات یک سیستم و تعیین خروجی‌های آن با توجه به داده‌های ورودی، لذا تکرار شبیه‌سازی در حالت و شرایط مختلف ورودی می‌تواند ما را در طراحی فرایند یاری کند. آنچه مسلم است این دقت و میزان انحراف نتایج تجربی است که ضامن اعتبار و اهمیت یک مدل یا یک شبیه‌ساز است.
مهم‌ترین موارد کاربرد شبیه‌سازها در بررسی عملکرد، رفع تنگناها و مشکلات فرآیندی، ایجاد تغییرات در شرایط عملیاتی و پیش‌بینی نتایج حاصل از آن است در بعضی موارد می‌توان از شبیه‌سازها برای انجام و بررسی آزمایش‌های پیچیده که تکرار آن‌ها در عمل مستلزم وقت و هزینه بسیار زیاد است سود برد. از دیگر موارد کاربرد شبیه‌سازی، افزایش مقیاس واحدهای آزمایشگاهی است که موجب حذف مرحله ساختن واحد نیمه‌صنعتی می‌گردد. ازاین‌روست که در سال‌های اخیر شبیه‌سازهای بسیاری در غالب بسته‌های نرم‌افزاری تهیه و به بازار عرضه‌شده‌اند. به کمک این نرم‌افزارها می‌توان حتی واحدهای پیچیده‌ای چون پالایشگاه‌ها را به‌منظور طراحی، توسعه، بهبود عملیات و رفع تنگناها به‌راحتی در مدت‌زمان، بسیار کوتاهی شبیه‌سازی و بهینه‌سازی نمود.
در این میان می‌توان از نرم‌افزارهایی چون ASPEN,PRO/II,CHEMSHARE,HEXTRAN HYSIM و دیگر موارد نام برد که در دنیا کاربرد وسیعی دارند. مقایسه قابلیت‌های هر یک از نرم‌افزارهای موجود و انتخاب نرم‌افزار مناسب، به میزان وسعت و اطلاعات کتابخانه‌ای و میزان دقت و فراوانی داده‌های ترمودینامیکی موجود در آن وابسته است.
نرم‌افزار Aspen Plus به دلیل جامعیت، بانک اطلاعاتی بسیار قوی، پوشش فرآیندهای الکترولیتی و قابلیت شبیه‌سازی دینامیکی برای انجام این پروژه برگزیده‌شده است.
۴-۲- تشریح شبیه‌سازی
در این قسمت مراحل شبیه‌سازی به‌طور مختصر تشریح گردیده است.
تکمیل اطلاعات ضروری در پوشه Setup
در پوشه Setup سیستم واحد اندازه‌گیری مناسب برای داده‌های ورودی یا خروجی (یا انتخاب) شده و اطلاعات ارائه‌شده در

۱۶

۱۲

سیستم لایه‌نشانی در خلأ

۱۰۹,۰۳۹۲

۸

۱۳

سیستم اسپاترینگ

۱۰۸,۳۷۴۸

۹

۱۴

کوره خلأ پایین

۱۱۱,۵۱۲۴

۳

۱۵

کوره خلأ بالا

۱۰۷,۴۷۲۴

۱۲

۱۶

نشت یاب

۱۱۰,۴۱۲۱

۴

پیشینه پژوهش
تاکنون کوشش‌های فراوانی هم در زمینه آزمایشات تجربی و هم در زمینه شبیه‌سازی پمپ‌های توربومولکولی محوری توسط محققان انجام شده است. اگرچه اختراع پمپ توربومولکولی منسوب به بکر^[۳۰] است[۸]، اما نخستین بار عملکرد پمپ توربومولکولی در جریان آزاد مولکولی به صورت آزمایشگاهی و تحلیل توسط کروگر^[۳۱] و شاپیرو^[۳۲]، انجام شده است[۹,۱۰].
در سال ۱۹۵۸ هبلانین^[۳۳] نتایج آزمایشات خود را با یک توربو شارژ ۱۰ مرحله‌ای را ارائه کرد [۱۱] نتایج به دست آمده از آزمایشات او حکایت از آن داشت که با فرض ثابت نگه داشتن سرعت پره‌های پمپ، نسبت تراکم به دست آمده در شرایط فشار پایین حداقل ۱۰ برابر بیشتر از نسبت فشار در شرایط فشار اتمسفریک است. همچنین در طی سال‌های ۱۹۵۷ تا ۱۹۵۸ یک کمپانی آلمانی به نام Arthur Pefiffer GmbH Wetzlar، یک کمپرسور توربومولکولی را که دارای ۱۹ طبقه پره مسطح ثابت و متحرک بود، طراحی و به عنوان اختراع ثبت کرد. بر طبق ادعای این کمپانی، این کمپرسور قادر به ایجاد نسبت تراکم به میزان ۱۰^۷×۵ و توانایی رسیدن به فشارmm Hg ^۱۰-۱۰ با سرعت پره‌ای در حدود m/s144 را دارا بود[۱۲].
در سال ۱۹۵۸ فینول^[۳۴] در دانشکده مکانیک دانشگاه MIT تحت عنوان پایان نامه کارشناسی ارشد روشی را برای محاسبه نسبت تراکم یک طبقه پره‌های متحرک با در نظر گرفتن جریان آزاد مولکولی ارائه کرد[۱۳]. در سال ۱۹۶۰ در همان دانشکده کروگر نتایج به دست آمده از حل دقیق و شبیه‌سازی مونت کارلو را برای جریان دو بعدی آزاد مولکولی به هنگام عبور از یک و چند طبقه پره‌های مسطح ثابت و متحرک با ارتفاع نامتناهی در پایان‌نامه خود و نیز در دومین کنفرانس بین‌المللی دینامیک گاز رقیق ارائه کرد.

( 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 طی سال‌های ۱۹۷۱ تا ۱۹۷۳ ساوادا^[۳۵] و همکاران با در نظر گرفتن اثر ارتفاع پره‌های پمپ، یک روش انتگرالی برای شبیه‌سازی جریان آزاد مولکولی در یک روتور ارائه کردند. نتایج به دست آمده از این شبیه‌سازی، تطابق خوبی با نتایج آزمایش نشان می‌داد[۱۴]. همچنین ساوادا با توسعه روش خود، نتایج شبیه‌سازی یک طبقه روتور- استاتور و یک پمپ با چندین طبقه روتور- استاتور را ارائه کرد.[۱۵] سپس در سال ۱۹۷۹ عملکرد یک روتور را به صورت تئوری و با حل معادلات ناویر- استوکس مورد برسی قرار دادند[۱۶].
در سال ۱۹۷۴ ایدا^[۳۶] و کیمورا^[۳۷] در ادامه کارهای تانیگوچی^[۳۸] و همکاران، نتایج حل تحلیلی خود را در مورد اثر پره‌های غیر موازی بر روی عملکرد پمپ توربومولکولی محوری مورد بررسی قرار داد[۱۷].
در سال ۱۹۷۶ دبیری با در نظر گرفتن لقی بین پوسته و روتور، اثر نشتی را بر روی نسبت تراکم پمپ مورد بررسی قرار داد[۱۸].
چو^[۳۹] و هیوا^[۴۰] با ارائه یک روش مبتنی بر مکانیک آماری، یک سری روابط تحلیلی برای بررسی عملکرد پمپ ارائه کردند[۱۹].
در سال ۱۹۸۲ کاتسیمیچاس^[۴۱] و همکاران، جریان آزاد مولکولی را در یک پره سه بعدی با دیواره‌های مسطح و در دستگاه مختصات غیر اینرسی با بهره گرفتن از روش مونت کارلو حل کردند. آن‌ها در شبیه‌سازی خود از لقی بین پره و پوسته صرف نظر کردند و با بهره گرفتن از دستگاه مختصات غیر اینرسی، دیواره‌های پره ثابت و حرکت پوسته پمپ را با سرعتی خلاف جهت دوران پمپ در نظر گرفتند. در این دستگاه به دلیل وجود شتاب‌های کریولیس و جانب مرکز، خط سیر مولکول به صورت خط راست نمی‌باشد. نتایج به دست آمده از حل سه بعدی کاتسیمیچاز نشان می‌داد که اختلاف بین شبیه‌سازی دو بعدی و سه بعدی در سرعت دورانی پایین، ناچیز است ولی این اختلاف در سرعت‌های دورانی بالا و یا وقتی پمپ در مقابل گازهای سنگین کار می‌کند، زیاد می‌شود[۲۰].
در سال ۱۹۸۸ چنیدر^[۴۲] و همکاران، عملکرد یک طبقه پمپ توربومولکولی را در جریان آزاد مولکولی با چند روش عددی و تحلیلی مورد بررسی قرار دادند[۲۱].
در سال ۲۰۰۰، هیو^[۴۳] و ونگ^[۴۴] عملکرد پمپ توربومولکولی را در هر ناحیه رژیم جریان مولکولی و انتقالی با بهره گرفتن از حل عددی معادلات بولتزمان که از روش مستقیم مونت کارلو^[۴۵] به دست آمده است، پیش بینی کردند[۲۲]. در همان سال اسکوورودکو^[۴۶] با حل جریان آزاد مولکولی به روش مونت کارلو در چندین طبقه روتور- استاتور، عملکرد پمپ را مورد بررسی قرار داد. در شبیه‌سازی اسکوورودکو شکل واقعی و سه بعدی پره‌ها، لقی بین پره و پوسته و نیز فاصله میان روتور و استاتور در نظر گرفته شده است. او محاسبات خود را در دستگاه مختصات اینرسی انجام داد. به گونه‌ای که خط سیر مولکول به صورت خط راست بوده و دیوارهای روتور با سرعت دورانی پمپ، دوران می‌کنند. در شبیه‌سازی اسکوورودکو از اثرات ضخامت دیواره‌های پره صرف نظر شده است[۲۳].
در سال ۲۰۰۱ چنگ^[۴۷] و جو^[۴۸]، مشخصه‌ های عملکردی پمپاژ یک طبقه روتور سه بعدی کامل را برای جریان مولکولی و انتقالی با روش مستقیم مونت کارلو محاسبه کردند[۲۴].
در سال ۲۰۰۴ آملی، ابراهیمی و حسینعلیپور، با حل جریان آزاد مولکولی به روش مونت کارلو در یک طبقه روتور- استاتور عملکرد پمپ را مورد بررسی قرار دادند[۲۵] . آن‌ها شبیه‌سازی خود را برای چندین طبقه روتور- استاتور نیز تعمیم دادند. در این شبیه‌سازی شکل واقعی و سه بعدی پره‌ها، لقی بین پره و پوسته پمپ و نیز فاصله میان روتور و استاتور و اثرات ضخامت دیواره‌های پره‌ها در نظر گرفته شده است. آن‌ها محاسبات خود را در دستگاه مختصات اینرسی انجام دادند. به گونه‌ای که خط سیر مولکول به صورت خط راست می‌باشد. در همان سال،آملی، ابراهیمی و حسینعلیپور یک مدل پیوسته برای جریان یک بعدی در پمپ‌های توربومولکولی برای رژیم‌های مختلف جریان از جریان مولکولی تا انتقالی ولغزشی ارائه دادند[۲۶].
در سال ۶ -۲۰۰۵ شنگ‌ونگ^[۴۹] و همکاران، در آزمایشگاه تحقیقاتی رآکتور هسته‌ای دانشگاه صنعتی توکیو با حل جریان مولکولی به روش مونت کارلو در یک طبقه روتور پمپ توربومولکولی، عملکرد پمپ را مورد بررسی قرار دادند. در این شبیه‌سازی شکل واقعی و سه بعدی پره‌ها، لقی بین پره و پوسته پمپ و اثرات ضخامت دیواره‌های پره در نظر گرفته شده است. آن‌ها مقادیر حداکثر نسبت فشار و حداکثر فاکتور سرعت پمپ را بر حسب پارامترهای هندسی مختلف ارائه دادند. در این شبیه‌سازی، برخورد بین مولکول با فرض مدل، کره نرم متغیر به روش مستقیم مونت کارلو (DSMC) در نظر گرفته شده است[۲۷]. سپس در سال ۲۰۰۹ با فرض مدل کره نرم تعمیم یافته به روش DSMC، توزیع چگالی مولکولی و توزیع دمایی در یک طبقه روتور پمپ توربومولکولی را به دست آورند[۲۸].
در سال ۲۰۰۷ شکوهمند و همکاران روش ذره نمونه را برای مطالعه جریان مولکولی آزاد در یک ردیف پره مسطح روتور پمپ توربومولکولی محوری در حالت کاملا سه بعدی، با در نظر گرفتن اثرات لقی بین روتور و پوسته پمپ و صرف نظر از ضخامت پره‌های روتور به کار بردند. در این شبیه‌سازی به علاوه تحلیل جریان، اثر ضریب تطبیق گرمایی (به عنوان عامل کم اثر) و عدم تعادل گرمایی یعنی اختلاف دمای متوسط جریان و دمای دیواره (به عنوان یک عامل موثر) بر حداکثر نسبت تراکم و حداکثر دبی بی ‌بعد عبوری پمپ توربومولکولی بررسی شده است[۲۹].
در سال ۲۰۰۹ ورسلویس و همکاران دیدگاه جدیدی را برای شبیه‌سازی عددی پمپ توربومولکولی با بهره گرفتن از روش آماری مونت کارلو (DSMC) ارائه دادند. آن‌ها به منظور مدل کردن تاثیر روتور و استاتور بر روی جریان گاز، سطوح متحرکی را نسبت به مش به کار بردند. آن‌ها به کمک این روش مقادیر نسبت فشار را بر حسب متوسط فشار ورودی و خروجی به دست آوردند. همچنین ونگ و همکاران فضای بین دو پره روتور را به همراه لقی موجود در این فضا را با روش مونت کارلو شبیه‌سازی کردند[۳۰].
در سال ۲۰۱۰ تقوی و همکاران جریان مولکولی آزاد را با روش آماری ذره نمونه مونت کارلو در یک ردیف روتور پمپ توربومولکولی محوری با پره‌های مسطح و ناموازی در حالت کاملا سه بعدی با در نظر گرفتن اثرات لقی بین روتور و پوسته پمپ و صرف نظر از ضخامت پره‌های روتور شبیه‌سازی و بررسی کردند. در این شبیه‌سازی به علاوه تحلیل جریان، اثرات تعیین ابعاد، اثرات مهم زاویه پره و اثرات تغییر زاویه گوه روی خواص اساسی پمپ توربومولکولی نیز بررسی شده است[۳۱].
در سال ۲۰۱۱ ماستیانی و همکاران فضای بین دو پره روتور را با روش (DSMC) و مدل برخورد VHS شبیه‌سازی کردند. دو فاکتور مهم تعیین عملکرد پمپ شامل حداکثر نسبت فشار و حداکثر فاکتور سرعت پمپ و تاثیر پارامتر‌های هندسی مانند زاویه پره و نسبت فاصله بین دو پره به طول پره مورد بررسی قرار گرفت[۳۲].
در سال ۲۰۱۱ سنجیل^[۵۰] و ادیس^[۵۱]، جریان مولکولی را در یک پمپ توربومولکولی چند طبقه به روش مستقیم مونت کارلو (DSMC) شبیه‌سازی کردند. در این شبیه‌سازی نواحی محاسباتی به صورت شبکه‌های دو بعدی چهار ضلعی شبکه بندی شده است[۳۳].

۳-۵-۱- تاثیر پارامترهای آیروالاستیسیته بر پره‌های پمپ توربومولکولی محوری
۳-۵-۲- بررسی پدیده خزش در پره‌های روتور پمپ توربومولکولی

۳-۵-۶- مقایسه نتایج حاصل از شبیه‌سازی پره ردیف‌های مختلف روتور پمپ توربومولکولی محوری

۳-۵-۱۰- بررسی نتایج حاصل از شبیه‌سازی پره روتور پمپ توربومولکولی محوری ساخته شده از دو جنس متفاوت
فصل چهارم: اعتبارسنجی و صحت‌سنجی نتایج ۴۷
۴-۱- اعتبارسنجی تحلیل استاتیکی خطی با فرض تغیییر شکل کوچک ۴۸
۴-۱-۱- تحلیل استاتیکی خطی تیر دو سر گیردار ۴۸
۴-۲- اعتبارسنجی تحلیل استاتیکی غیر خطی با فرض تغییر شکل بزرگ ۵۰
۴-۲-۱- تحلیل استاتیکی غیر خطی صفحه دایروی تحت فشار یکنواخت ۵۰
۴-۲-۲- تحلیل استاتیکی غیر خطی صفحه یک سرگیردار ۵۱
۴-۳- بررسی عدم وابستگی نتایج شبیه‌سازی‌ پره روتور پمپ توربومولکولی محوری به مش ۵۳
۴-۴- بررسی تغییرات ماکزیمم تنش ون مایزز و تغییر شکل کلی با سرعت چرخش روتور ۵۶
نتیجه‌گیری و پیشنهادات ۵۸
۵-۱- نتیجه‌گیری ۵۹
۵-۲- پیشنهادات ۶۰
۶- منابع و مراجع ۶۲
پیوست (مقالات)
فصل اول: مقدمه
تعریف مسأله
امروزه سیستم‌های وکیوم یا خلأ در صنایع مختلف کاربرد زیادی پیدا کرده است. محیط‌های خلأ دو ویژگی اساسی دارند. اولین ویژگی این است که محیطی تمیز با قابلیت کنترل عوامل ناخواسته که برای انجام فرایندهای خاص فیزیکی و شیمیایی به محیط‌های ویژه نیاز دارند، را ایجاد می‌کند و دیگر اینکه تغییرات اساسی در خواص فیزیکی مواد نظیر کاهش نقطه ذوب و تبخیر را موجب می‌شود. این دو ویژگی کلید انجام بسیاری از فرایندهای علمی در محیط خلأ می‌باشند. از سوی دیگر، خلأ شرایط جو زمین را نیز شبیه‌سازی می‌کند. این امر امکان انجام آزمایش‌های بسیاری که برای سفرهای فضایی حیاتی است و انجام آن در داخل جو زمین ممکن نیست را در روی زمین میسر می کند. امروزه با بهره گرفتن از ویژگی‌های فوق فرایندهای بسیاری در محیط خلأ انجام می‌شوند و امکان تولید بسیاری از محصولات با فناوری بالا فراهم شده است. خلأ در پیشرفت صنایع الکترونیک، شیمیایی، پزشکی، دارو‌سازی، صنایع غذایی، متالوژی و خودرو نقش عمده‌ای را ایفا می‌کند. مواردی که در زندگی روزانه کاربردهای وسیعی دارند، نظیر سلولهای خورشیدی، قطعات نیمه‌هادی‌ها نظیر حسگرها و آی سی‌ها، شیشه‌های عایق حرارتی، بسیاری از ابزارهای مکانیکی برشی با مقاومت سطحی بالا، عینک‌های طبی و آفتابی، ضدعفونی محصولات کشاورزی، تولید مواد شیمیایی، بازرسی جوش، تولید دیسک‌های فشرده کامپیوتری، ساخت کامپوزیت‌ها، ساخت بدنه یخچال، تعمیر سیستم‌های سرد کننده، تعویض روغن اتومبیل تنها نمونه‌هایی از کاربردهای وسیع خلأ می‌باشند. علاوه بر این خلأ نقش مهمی در حوزه‌های تحقیق و توسعه و تکنولوژی زیستی ایفا می‌کند، به گونه‌ای که این فناوری را می‌توان کلید دستیابی به حوزه فناوری‌های میکرو و نانو قلمداد نمود.

(( 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. ))

با توجه به کاربردهای وسیع و کلیدی فناوری خلأ در زمینه‌های مختلف علوم و صنایع، ضروری است تا اقدامات گسترده و نظام‌مندی در جهت بومی‌سازی این فناوری در کشور انجام پذیرد. در این
راستا، یکی از راهبردهای اصلی، گسترش تحقیق و توسعه برای طراحی و ساخت سیستم‌ها و تجهیزات مربوط به این فناوری می‌باشد.
در سال‌های اخیر توجه به فناوری خلأ در کشور به تدریج اهمیت خود را به دست آورده است. فناوری خلأ بالا، امروزه کاربرد بسیاری در صنعت داشته و در اکثر زمینه‌ها نقش موثری را ایفا می کند. دستیابی به دانش طراحی و ساخت تجهیزات خلأ بالا امروزه یکی از دستاوردهای مهم و پر اهمیت هر کشور به‌شمار می‌آید. وظیفه اصلی در ایجاد محیط خلأ بر عهده انواع پمپ‌های تولیدکننده خلأ می‌باشد. در این پایان‌نامه نیز هدف، بررسی گوشه‌ای از دنیای وسیع طراحی تجهیزات خلأ یعنی پمپ‌های توربومولکولی محوری می‌باشد.
پمپ توربومولکولی محوری قادر به ایجاد خلأ بسیار بالا تا فشار (^۱۰-۱۰) پاسکال می‌باشد. در فناوری خلأ این پمپ‌ به دلایل متعددی چون تمیز بودن، سازگاری، راه اندازی سریع پمپ، قابلیت پیش‌بینی خلأ تولید شونده، سادگی عملیات و درجه بالای اعتبار از بعد عملیاتی، به طور گسترده در تولید خلأ بالا و خیلی بالا مورد استفاده قرار می‌گیرد.
بنابر کاربرد وسیع فناوری خلأ در توسعه تکنولوژی و پیشبرد اهداف پژوهشی- صنعتی و نقش ویژه پمپ‌های توربومولکولی در ایجاد خلأ بالا، شبیه‌سازی پره‌های پمپ توربومولکولی و افزایش عملکرد آن، امکان دستیابی به محدوده خلأ بالاتری را موجب خواهد شد. بنابراین در این پایان‌نامه تحلیل و شبیه‌سازی عددی پره‌های روتور پمپ توربومولکولی محوری به عنوان هدف اصلی مد نظر بوده است. در این راستا تأثیر پارامترهای هندسی گوناگون مانند ارتفاع، ضخامت اثرات پروفیل پره، در حین شبیه‌سازی مورد مطالعه قرار گرفته است. شایان ذکر است حداکثر نسبت تراکم، حداکثر سرعت بی‌‌بعد، حداکثر تغییر شکل پره^[۱] و حداکثر تنش ون‌مایزز ناشی از اثرات گریز از مرکز، تأثیرگذار
اصلی بر عملکرد پمپ توربومولکولی می‌باشند. با توجه به موارد مذکور، سعی بر یافتن شرایط بهینه برای نیل به ماکزیمم راندمان شده است.
ضرورت و اهمیت مطالعه تکنولوژی سیستم‌های خلأ
در یک دسته‌بندی کلان، سیستم‌های خلأ، زیرمجموعه ماشین‌آلات تلقی می‌شوند. هنگامی که از فناوری سیستم‌های خلأ نام برده می‌شود، منظور توانایی طراحی، ساخت، توسعه، به کارگیری و تعمیر و نگهداری درست این گروه از ماشین‌آلات است. در این بخش ضرورت و اهمیت مطالعه فناوری خلأ، همچنین جایگاه و ارتباط این فناوری با فناوری‌های دیگر، وضعیت جهانی و موقعیت این فناوری در ایران مورد بررسی قرار خواهد گرفت.
ویژگی‌های فناوری سیستم‌های خلأ
طبق یک طبقه‌بندی، فناوری‌ها بر اساس اهمیتی که در توسعه اقتصادی، صنعتی و یا بنیه دفاعی دارند، به چهار گروه حیاتی، عام، توان‌آور و اقتصادی کننده تقسیم می‌شوند[۱]. فناوری خلأ، از آنجا که توسعه آن برای رونق همه بخش‌های صنعتی ضرورت داشته و می‌تواند در طیف وسیعی از فرآیندها و محصولات به کار گرفته شود، جزء تکنولوژی‌های عام قرار می‌گیرد. تکنولوژی‌های عام، نوعاً به فناوری‌هایی گفته می‌شود که توسعه آن‌ها برای رونق همه بخش‌های صنعتی ضرورت داشته و اختصاص به یک بخش از صنعت ندارد.
در ارزیابی هر فناوری مسأله چرخه عمر فناوری و جایگزینی با فناوری‌های جدیدتر مدنظر قرار می‌گیرد. به‌علاوه رابطه هر فناوری با فناوری‌های مکملش نیز حائز اهمیت است، زیرا سرنوشت فناوری‌های مکمل به یکدیگر وابسته‌اند. شناخت زنجیره ارزش و وابستگی‌ها و گلوگاه‌های تکنولوژیک پیش رو برای برنامه‌ریزی بلند مدت توسعه تکنولوژی ضروری می‌باشد. همواره انواع مختلف فناوری برای تامین نیازهای بشر در رقابت با یکدیگر ظهور یافته و یا منسوخ می‌شوند. فناوری‌های عام، همچون فناوری سیستم‌های خلأ، ذاتاً جایگزین نداشته و نیاز به آن‌ها همیشگی است، زیرا فرآیندهای مبتنی بر خلأ همواره نیازمند سیستم‌های خلأ هستند. لذا چرخه عمر این فناوری عام، همواره از رشد و ارتقاء خوبی برخوردار بوده است. تحول فناوری سیستم‌های خلأ، معمولاً حاصل ارتقاء در فناوری زیرسیستم‌ها، استفاده از مواد پیشرفته‌تر و هوشمندسازی می‌باشد. در اینجا لازم به ذکر است که یک فناوری عام مثل سیستم‌های خلأ با پایان یافتن چرخه عمر یک فناوری خاص مثل سامانه تولید لامپ تصویر که آن فناوری عام را به کار گرفته است، از بین نمی‌روند، بلکه فناوری به عنوان یک توانمندی به صورت پیشرفته‌تری در سایر فناوری‌های خاص ادامه حیات می‌دهد.
ساخت سیستم‌های خلأ، علاوه بر خلأسازها و خلأسنج‌ها، وابسته به فناوری‌های طراحی، ساخت و تولید قطعات فلزی (از جمله ریخته‌گری، ماشین‌کاری ، برش، جوش‌کاری، بریزینگ، عملیات حرارتی و شکل‌دهی)، قطعات الستومر، قطعات سرامیک و شیشه، فناوری‌های الکترونیک، الکترونیک صنعتی و کنترل می‌باشد. به طور خاص با توجه به کاربرد سیستم‌های خلأ، فناوری‌های پیشرفته مختلف خاصی مانند لیزر، پرتو الکترونی، مولد‌های الکتریکی فرکانس بالا یا ولتاژ بالا در سیستم‌ها استفاده می‌شود. باید توجه داشت که از دیدگاه سایر فناوری‌ها، فناوری خلأ خود یک فناوری مکمل تلقی می‌شود. حسب مورد به عنوان یک ضرورت غیر قابل اجتناب، منحصر به فرد و بدون جایگزین، به طور مثال در فناوری‌های مبتنی بر پرتو الکترون، یا به عنوان یک عامل بهبود کیفیت، به طور مثال در فناوری ریخته‌گری دقیق، به کار گرفته می‌شود.
معرفی تکنولوژی خلأ
پیش از هر چیز لازم است تکنولوژی خلأ، تاریچه استفاده از این علم، کاربرد آن در زندگی روزمره و صنعت، تجهیزات مورد استفاده در این زمینه، اصطلاحات علمی و کارهای انجام شده در این زمینه، چه در سطح کشور عزیزمان ایران و چه در سطح بین المللی، مورد بررسی قرار گیرد تا شناخت اجمالی از این مهم حاصل آید.
تعریف خلأ یا وکیوم
واژه خلأ به معنی تهی و خالی است و واژه لاتین وکیوم^[۲] از معادل لاتین کلمه خالی^[۳] می‌آید. وکیوم یا خلأ به فضایی گفته می‌شود که خالی از ماده باشد. در چنین حالتی مولکول‌های هوا که عامل ایجاد فشار می‌باشند، نیز وجود ندارند. این تعریف ایده‌آل وکیوم می‌باشد. فشار صفر مطلق در این فضا تعریف نمی‌شود. در عمل رسیدن به چنین محیطی امکان‌پذیر نیست، زیرا همیشه تعدادی مولکول گاز وجود دارند. اما رسیدن به فشارهای بسیار بسیار پایین، دور از واقعیت نیست و امروزه سیستم‌های وکیومی تولید شده‌اند که می‌توانند محیط‌هایی با قدرت تفکیک مولکول بر واحد حجم بسیار پایین ایجاد کنند. در اصطلاح به فشارهای پایین‌تر از فشار اتمسفر هوا، حالت خلأ گفته می‌شود. با این وصف فشار مابین فشار اتمسفر و صفر مطلق را می‌توان حوزه سیستم‌های وکیوم دانست.
کاربردهای خلأ و فرایندهای متداول تحت سیستم‎های خلأ
فناوری خلأ کلیه فرایندهایی را شامل می‌شود که در فشار کمتر از فشار اتمسفر انجام می‌شوند. یک فرایند تحت خلأ به طور معمول برای یکی از مقاصد زیر انجام می‌شود.
برای حذف ترکیباتی که به صورت فیزیکی یا شیمیایی درحین فرایند واکنش انجام می‌دهند (ذوب فلزات واکنش‌گر مانند تیتانیوم).
برای برهم زدن تعادل محیط در شرایط اتمسفریک مثل حذف گازها و ترکیبات فرار از یک ماده (گاززدایی یا خشک کردن تصعیدی) و یا جذب گاز از سطوح (تمیز کردن لوله‌های مایکروویو و شتاب‌دهنده‌های خطی در حین ساخت).
به منظور افزایش فاصله یک ذره که امکان برخورد آن با ذرات دیگر قبل از رسیدن به هدف وجود دارد. (پوشش‌های تحت خلأ، شتاب‌دهنده‌های ذره و لامپ‌های تلویزیونی).
برای کاهش اثر تعداد ملکول‌ها در واحد زمان (کاهش آلودگی‌های سطحی در حضور خلأ، تمیز کردن سطوح و تهیه فیلم‌های بسیار نازک و کاملاً خالص.
شاید بتوان عمده‌ترین کاربردهای خلأ را در جابجایی مکانیکی (انتقال مواد سبک و سنگین به وسیله مکش)، نصب قطعات الکترونیکی دقیق روی چیپس‌های سیلیکون خلاصه نمود اما به طور قطع کاربرد‌های خلأ بسیار وسیع‌تر و علاوه بر موارد فوق می‌توان به بسته‌بندی‌های خلأ، شکل دادن اجسام، گاززدایی از روغن‌ها و حلال‌های مایع، تقطیر و گاززدایی از فولاد مایع اشاره نمود. مثلاً در فشار‌های کاهش یافته تا حدود^۴-۱۰ تور، بعضی فرایند‌های متالورژی مثل ذوب، قالب‌گیری، پوشش، لعاب و اعمال حرارت انجام می‌گیرد. بعضی فرایند‌ها در صنایع غذایی و شیمیایی مانند خشک‌کردن انجمادی و تقطیر نیز در خلأ انجام می‌گیرد. خشک‌کردن انجمادی به طور وسیعی در صنایع داروسازی برای تولید واکسن، آنتی بیوتیک و نگه‌داری پوست و پلاسمای خون مورد استفاده قرار می‌گیرد. در صنایع غذایی با بهره گرفتن از خشک‌کردن انجمادی، بسیاری از مواد غذایی را می‌توان برای زمان‌های طولانی و بدون ایجاد تغییر در خواص تغذیه‌ای، عطر و طعم، نگه‌داری نمود و روز به روز کاربرد آن گسترده‌تر می‌شود. در فشارهای کاهش‌یافته کمتر از ^۶-۱۰ تور، لامپ‌های روشنایی، عایق‌بندی الکتریکی و لامپ‌های تصویر تلویزیونی، لوله‌های اشعه ایکس، عدسی‌های عینک، پوشش‌های بسیار نازک الکترونیکی و شناساگرهای اسپکترومتر جرمی ساخته می‌شوند.
فناوری خلأ از دهه پنجاه با سرعت بالایی توسعه یافته است[۲, ۳, ۴]. در تحقیقات و در بیشتر شاخه‌های صنعت حضور تجهیزات خلأ ضروری می‌باشد[۵]. با توجه به زمینه‌های کاربردی خلأ، تعداد فرایندهایی که قابل انجام است، بسیار زیاد است[۶].
طبقه‌بندی فرایندها بر اساس محدوده فشاری
خلأ پایین (۱ تا ۱۰۱۳میلی‌بار)

شکل ‏۱‑۱۲: نمایش نمودار سرعت- فشار برای پمپ‌های مختلف خلأ

( 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. )

پمپ توربومولکولی محوری
در این بخش اهمیت مطالعه پمپ توربومولکولی و همچنین پیشینه تحقیقات صورت گرفته مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای ایجاد شرایط خلأ معمولاً از پمپ‌های مختلف که هر یک با بهره گرفتن از روش به خصوص و در یک محدوده فشاری معین قابلیت انجام کار دارند، استفاده می‌شود. از انواع این پمپ‌ها می‌توان به پمپ خلأ با پروانه چرخنده، پمپ دیفیوژن، پمپ کریوژنیک، پمپ یونی و پمپ‌های توربومولکولی محوری و شیاردار اشاره کرد. در خلأ‌های بالا و نیز فوق خلأ، به طور گسترده‌ای از پمپ‌های توربو‌مولکولی محوری استفاده می‌شود. مزیت استفاده از پمپ‌های توربومولکولی نسبت به پمپ دیفیوژن ایجاد خلأ عاری از هر گونه بخار روغن می‌باشد. از دیگر مزایای این پمپ می‌توان به کوتاه بودن فاصله بین روشن شدن پمپ تا رسیدن آن به سرعت نامی و نیز توان و هزینه کمتر نسبت به پمپ کریوژنیک اشاره کرد. مهم‌ترین نقاط ضعف این پمپ، پایین بودن خالص جریان عبوری، قیمت بالا و پایین بودن عملکرد آن در مقابل گازهای سبک می‌باشد. در پمپ توربو‌مولکولی محوری، چندین طبقه روتور و استاتور به طور متوالی قرار گرفته‌اند. در شکل ‏۱‑۱۳ یک طبقه از پمپ توربومولکولی شامل یک ردیف روتور و یک ردیف استاتور و در شکل ‏۱‑۱۴ طبقات مختلف یک پمپ توربومولکولی محوری به نمایش در آمده است. اساس کار این پمپ بدین صورت است که مولکول‌های جریان در قسمت ورودی به طبقه اول پره‌ها (روتور) که با سرعت بالا در حال چرخش هستند. برخورد کرده و در اثر این برخورد، مومنتوم این ذرات تغییر می‌کند. این تغییر مومنتوم به گونه‌ای است که احتمال برگشت مولکول را به سمت بالادست جریان به حداقل می‌رساند. همین عمل به هنگام ورود مولکول‌ها به تیغه‌های ثابت تکرار شده و این تیغه‌ها مولکول را به سمت طبقه‌ی بعدی هدایت می‌کند در نهایت مولکول‌ها پس از عبور از تمامی طبقه‌های پمپ به سمت خروجی پمپ هدایت می‌شوند. در این پمپ‌ها زاویه نصب پره‌ها به گونه‌ای طراحی می‌شود که چنانچه مولکول‌هایی از قسمت پایین دست وارد پمپ شوند، احتمال این که به قسمت بالادست منتقل شوند ناچیز باشد.
شکل ‏۱‑۱۳: نمایش یک طبقه از پمپ‌ توربومولکولی محوری
شکل ‏۱‑۱۴: نمایش طبقات مختلف پمپ‌ توربومولکولی محوری
ضرورت مطالعه پمپ توربومولکولی محوری
با توجه به کاربردهای وسیع و کلیدی فناوری خلأ در زمینه‎های مختلف علوم و صنایع ضروری است تا اقدامات گسترده و نظام‌مندی در جهت بومی‌سازی این فناوری در کشور انجام پذیرد. در این راستا، یکی از راهبردهای اصلی، گسترش تحقیق و توسعه برای طراحی و ساخت سیستم‎ها و تجهیزات مربوطه می‏باشد. با توجه به تنوع این سیستم‏ها و ضرورت تناسب این امر با نیازها و ظرفیت‎های داخلی،لازم می‌نمود تا این اولویت گذاری تحقیق و توسعه بر روی سیستم‌ها و تجهیزات خلأ به نحو منطقی‌تری صورت پذیرد. در تحقیقاتی که در [۷] ارائه شده است، ۱۶ وسیله و دستگاه از سیستم‌های خلأ انتخاب شدند و از کارشناسان مرتبط درخواست شد تا با توجه به معیارهای ارائه شده، تحقیق و توسعه بر روی آن‌ها را اولویت‎بندی نمایند. این تجهیزات و سیستم‌ها علاوه بر اینکه خود نیز به صورت مستقل مورد استفاده قرار می‎گیرند، پایه اصلی برای ساخت تجهیزات بزرگتر و تخصصی‌تر نیز می‌باشند. در مرحله‌ای دیگر برای تحقیق و توسعه معیارهایی تدوین گردید و از خبرگان این عرصه درخواست شد تا ارزش هر معیار را تعیین نموده و به هر عامل نمره‌ای بین صفر تا ۱۰ بدهند. از بررسی و تحلیل اطلاعات به دست آمده با بهره گرفتن از روش آنتروپی وزن معیارها محاسبه و در فرایند تعیین اولویت تحقیق و توسعه بر روی سیستم‌های مزبور، اعمال گردید که نتایج آن در جدول ‏۱‑۷ ارائه شده است. دستگاه‌ها و سیستم‌های انتخاب شده در این تحقیق به شرح زیر می‌باشند:
اندازه‌گیر خلأ پیرانی
اندازه‎گیر خلأ پینینگ
وسایل جانبی و درزبندها
ضخامت سنج بلور کوارتز
محفظه خلأ بالا فولادی- شیشه‌ای
پمپ خلأ پایین (چرخشی، تیغه‌ای)
پمپ توربوملکولی
پمپ جت بخار
پمپ یونی
پرتابگر الکترونی
دستگاه آب سردکن مدار بسته
سیستم لایه نشانی در خلأ
سیستم اسپاترینگ
کوره خلأ پایین
کوره خلأ بالا
نشت یاب
معیارهای تعیین اولویت تحقیق و توسعه بر روی سیستم‌های خلأ نیز به صورت زیر در نظر گرفته شدند.
میزان نیاز کشور به فناوری مربوطه
ارزش فناوری بومی شده برای کشور
میزان صرفه جویی ارزی حاصل از تولید در داخل
نقش فناوری در توسعه فناور ی‌های دیگر
امکان تولید و کسب فناوری در داخل
میزان وابستگی قطعات به خارج
امکان صدور محصولات به خارج از کشور
میزان همکاری مراکز داخلی با هم
با توجه به اینکه متخصصان مخاطب این نظرسنجی از طیف‌های مختلف صنعت، مراکز آموزشی و تحقیقاتی بوده‎اند می‎توان چنین استنباط نمود که در اولویت‎گذاری صورت گرفته برآیند ملاحظات محیط‌های فوق اعمال شده است. از این روی بر اساس این تحقیق می‎توان برنامه‌‎هایی برای تحقیق و توسعه بر روی سیستم‎ها و تجهیزات خلأ بالا تدوین نمود یا نسبت به برنامه‎های ارائه شده در این زمینه با نگاه بهتری اظهار نظر نمود. به همین منظور پیشنهاد شده است تا موضوعات تحقیق و توسعه تجهیزات و فناوری خلأ، از طرف مراکز تحقیقاتی و محققان با تجربه با در نظر گرفتن این اولویت اقدام گردد. همان‌طور که نتایج جدول ‏۱‑۷ مشاهده می‌شود مطالعه و بررسی پمپ توربومولکولی از اهمیت خاصی در میان پمپ‌ها برخوردار است. بنابراین انتخاب موضوع پایان‌نامه از لحاظ کاربردی انتخاب خوبی بوده است.
جدول ‏۱‑۷: اولویت‌های تحقیقاتی فناوری خلأ در ایران

شماره

دستگاه

رتبه

اولویت

۱

پمپ خلأ پایین (چرخشی، تیغه‌ای)

۱۱۰,۲۶۸۴

۵

۲

پمپ جت بخار

۱۰۶,۴۸۹۵

۱۴

دسترسی بالا: شامل کنترل المثنی خوشبینانه و بدبینانه، اجرا آینه‌ای و بازیافت خوشبینانه.
دسترسی به اطلاعات از راه دور: شامل نهان‌سازی^[۵]، حمل^[۶] تابع، سیستم‌های فایلی توزیع شده و پایگاه داده‌های توزیع شده.
امنیت: شامل احراز هویت و خصوصی دو طرفه بر پایه رمزنگاری.
شبکه‌های حسگر
شبکه‌های انتقال داده^[۷] را می‌توان از یک دیدگاه بر اساس لایه فیزیکی^[۸]شان، به دو دسته عمده سیمی^[۹] و بیسیم^[۱۰] تقسیم کرد. در شبکه‌های سیمی، گره‌های شبکه از طریق یک وسیله فیزیکی قابل رؤیت مانند کابل اترنت یا فیبرنوری به هم متصل هستند. حال آنکه در شبکه‌های بیسیم، چنین وسیله اتصالی وجود ندارد و ارتباط گره‌ها از طریق مخابرات رادیویی یا اشعه مادون قرمز برقرار می‌شود. این دسته‌بندی از آنجا حائز اهمیت است که به علت نوع خاص لایه فیزیکی مورد استفاده در شبکه‌های بیسیم، می‌توان آنها را از نظر پارامترهایی مانند تداخل^[۱۱]، قابلیت اطمینان^[۱۲]، منابع انرژی در دسترس و سطح امنیت، با شبکه‌های سیمی مقایسه نمود] ۴[.
یک تقسیم‌بندی دیگر برای شبکه‌ها، براساس قابلیت حرکت گره‌ها در شبکه است. در برخی از شبکه‌ها، مکان گره‌ها ثابت است لذا توپولوژی و ساختار شبکه تغییر نمی‌کند. بر خلاف شبکه‌های ثابت^[۱۳]، در شبکه‌های متحرک^[۱۴] مکان گره‌ها و در نتیجه ساختار شبکه قابلیت تغییر دارد. ثابت یا متحرک بودن شبکه ربطی به نوع لایه فیزیکی آن ندارد. به عنوان مثال، تلفن همراه نمونه‌ای از یک شبکه متحرک بیسیم است؛ از طرف دیگر، ساختمانی که از یک شبکه بیسیم بهره می‌برد مثالی از یک شبکه بیسیم ولی ثابت است]۵[.

( 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. )

شبکه‌های بیسیم (ثابت یا متحرک) را می‌توان در دو حالت متصور شد: شبکه‌های بیسیمی که دارای زیرساخت^[۱۵] هستند و شبکه‌های بیسیم بدون زیرساخت. در نوع اول، گره‌های شبکه به گره‌های سطح بالاتری مانند ایستگاه‌های پایه^[۱۶] یا نقاط دسترسی^[۱۷] متصل می‌شوند (به صورت بیسیم) و از این طریق قادر به ارتباط خواهند بود؛ در حالی که در نوع دوم، اصولاً چنین گره‌هایی وجود ندارند و شبکه بدون هیچ زیرساخت اولیه‌ای قادر است کار خود را آغاز کند و گره‌ها خود- راه‌انداز^[۱۸] هستند]۶ [.
شبکه‌های اقتضایی^[۱۹] نوع خاصی از شبکه‌های بیسیم هستند که در آن گره‌ها می‌کوشند بدون هیچ زیرساخت ثابتی با یکدیگر ارتباط داشته باشند. انعطاف‌پذیری این شبکه‌ها موجب می‌شود که بتوانیم در هر زمان و هر مکان آنها را راه‌اندازی کنیم. از مهمترین کاربردهای شبکه‌های اقتضایی می‌توان به ارتباط میان نیروها و ادوات در یک میدان نبرد (چنانچه آغاز شبکه‌های اقتضایی نیز به پروژه دارپا^[۲۰] و وزارت دفاع امریکا برمی‌گردد)، عملیات امداد در حوادث غیرمترقبه و حتی بازی‌های چندکاربره اشاره کرد. نوع دیگری از شبکه‌های بیسیم، شبکه‌های حسگر^[۲۱] هستند. یک شبکه حسگر، مجموعه‌ای از تعداد زیادی گره است که به منظور جمع‌ آوری اطلاعات و انتقال آن با یکدیگر همکاری می‌کنند. تشخیص سریع وقوع آتش‌سوزی در جنگل‌ها و تشخیص اشیاء متحرک در یک منطقه (مثلاً مرزی)، مثالهایی از شبکه حسگر است]۷[.
در بسیاری از موارد، تأمین سطحی از امنیت در شبکه‌های اقتضایی و حسگر ضروری است. از سویی خطرات فراوانی امنیت این شبکه‌ها را تهدید می‌کند و از طرف دیگر به کارگیری هرگونه سیستم امنیتی، با توجه به ویژگی‌های خاص آنها، با محدودیت‌های بسیار مواجه است. از این رو، تأمین امنیت این سیستم‌ها با چالشی جدی روبرو شده است. این چالش موجب شده تا حجم قابل توجهی از پژوهش‌ها در سالهای اخیر، به چگونگی طراحی و به کارگیری الگوریتم‌ها و پروتکل‌های امنیتی در چنین شبکه‌هایی اختصاص یابد]۸[.
شبکه‌های حسگر بی‌سیم نسل جدیدی از شبکه‌ها هستند که از تعداد زیادی گره حسگر تشکیل شده‌اند. این گره‌ها با داشتن قابلیت تشخیص تغییرات محیطی به منظور نظارت بر یک محیط خاص در آن پراکنده می‌شوند. یک گره حسگر از چهار جزء اصلی حسگر، واحد پردازش، واحد فرستنده و گیرنده و منبع تغذیه تشکیل شده است. منبع تغذیه گره‌های حسگر معمولاً باتری‌های غیرقابل شارژی هستند که پس از اتمام شارژ آن‌ها گره حسگر مرده محسوب می‌شود. از این‌رو یکی از مهمترین محدودیت‌های شبکه‌های حسگر بی‌سیم، کمبود منابع انرژی آن‌هاست]۹[. بنابراین برخلاف شبکه‌های قدیمی که هدف اصلی، دسترسی به کیفیت سرویس می‌باشد، در پروتکل های شبکه‌های حسگر تکیه اصلی بر حفظ منابع انرژی است. در این شبکه‌ها بایستی از مکانیزم‌هایی استفاده شود که امکان افزایش طول عمر شبکه را از طریق پهنای باند کمتر یا افزایش تاخیر ارسال، برای کاربر نهایی فراهم می‌کنند. یکی از این مکانیزم‌ها که در سال‌های اخیر بسیار مورد توجه قرار گرفته شده است، استفاده از تکنیک‌های خوشه‌بندی است. تمایل به سمت خوشه‌بندی گره‌ها به چند دلیل افزایش پیدا کرده است: اولین دلیل افزایش طول عمر سیستم بخاطر کم کردن انرژی گره‌ها برای ارسال داده و برقراری تعادل با تغییر نقش گره‌ها است، همچنین این روش‌ها با محلی کردن ارسالات، باعث کاهش تداخلات اطلاعاتی می‌شوند. این مزایا در شبکه‌های حسگر با ابعاد بزرگ بیشتر حائظ اهمیت هستند]۱۰[.
تعریف مسئله و اهداف تحقیق
درسیستم‌های تک پردازنده‌ای نیازاست که اگرقرار باشد چند کاربر به یک منبع مشترک دسترسی پیدا کنند، کنترل شود که این دسترسی به شکل همزمان اتفاق نیفتد. دریک سیستم توزیع شده هم باید منابع مشترک حفاظت شوند ولی مشکل دیگری که اینجاوجود داردهمگامی اجرای فرایندها است. دلیل اهمیت همگامی بخاطر وابستگی مراحل اکثر الگوریتم‌ها می‌باشد که در صورت اجرای این الگوریتم‌ها برروی سیستم‌های توزیع‌شده نیاز به کنترل همگامی فرآیندها داریم.
مسئله‌ای که در ارتباط بین فرآیندها بسیار اهمیت دارد این مسئله است که فرآیندها چگونه در سیستم‌های توزیع شده همگام می‌شوند. همگام‌سازی یعنی همه تدابیری که باید سنجیده شود تا هر کاری به موقع (در زمان درست) و سر جای خودش انجام شود. یکی از اهدافی که همگامی سیستم‌های توزیع شده باید بدنبال آن باشد انحصار متقابل و کنترل ناحیه بحرانی است. ناحیه بحرانی به متغیرهای مشترک، فایل‌های داده مشترک، حافظه مشترک و جداول اطلاعاتی اشتراکی است که همه فرآیندها از آن استفاده می‌کنند ولی در حین واحد تنها و تنها باید در اختیار یک فرایند باشد. و در این میان باید به گونه‌ای عمل شود که در صورتی فرآیندها هر کدام تعدادی از منابع خود را در اختیار گرفته ولی همچنان منتظر تعدادی منبع هستند که در اختیار دیگر فرآیندها است (بن‌بست) دچار نشده و یا منبعی برای دریافت یک منبع بیش از حد معمول منتظر نماند که در زمان کلی اجرای محاسبات تاثیرگذار بوده (گرسنگی) باشند.
برای اجرای کارها، در یک سیستم، از یک ساعت استفاده می‌کنیم. ساعت تضمین کننده اجرای به ترتیب کارها می‌باشد. درسیستم توزیع شده این یک چالش است چون سیستم‌ها ازساعت‌های مختلف استفاده می‌کنند و زمان‌ها عملاً همگام نیستند.
معمولاً همزمانی زمانی رخ می‌دهد که فرآیندی در یک پردازنده نیاز به داده و یا نتایج محاسبات یک فرایند در پردازنده دیگر دارد و یا ترتیب خاصی در روند دستورات باید اتفاق افتد و رعایت شود. معمولاً همزمانی سبب افزایش سرعت محاسبات می‌شود.
همگامی فرایند‌ها در محیط توزیع شده مسئله جدیدی نبوده و از زمان پیدایش سیستم‌های توزیع شده بعنوان یک چالش عمده مورد بحث و تحقیق قرار گرفته است. روش‌های گوناگونی نیز ارائه شده است که معمولاً دارای مزایا و معایبی می‌باشد. روش‌هایی که از سرور زمان برای همگامی استفاده می‌کنند با مشکلات جلوتر بودن زمان کامپیوترها از زمان سرور و تاخیرات ارسال و دریافت زمان از سرور روبرو هستند. روش‌هایی که از سرور زمان ولی با دریافت زمان کلیه کامپیوترها و عمل میانگین‌گیری آن‌ها به زمان واحد میرسند با مشکل تشخیص اعداد نادرست و کنار گذاشتن آن‌‌ها روبرو بوده و همچنین روش‌هایی که همه کامپیوترها زمان خود را برای مابقی ارسال می‌کنند و هر کامپیوتر میانگین گرفته باز با تشخیص اعداد غیرواقعی رسیده و تعداد زیاد پیام‌های ارسالی و دریافتی روبرو است. همچنین در همگامی‌های منطقی روش‌های ارائه شده اغلب از تجزیه‌وتحلیل و تشخیص نقاط نیازمند به همگام‌سازی استفاده می‌کنند و معمولاً قادر به تشخیص دقیق نقاط همگامی نبوده، کیفیت نتایج یکسان در همه موارد را نداشته، از سخت‌افزار اضافی استفاده نموده‌ و سربار زیادی دارند. در این پایان‌نامه یک روش با بهره گرفتن از شبکه‌های عصبی رقابتی برای شبیه‌سازی و مدل نمودن سیستم‌های توزیع‌شده و برقراری انحصار متقابل و کنترل ناحیه بحرانی در این سیستم‌ها معرفی می‌شود که چالش‌های بالا را تا حد امکان از بین برده و سربار همگامی را کاهش دهد.
همانطور که میدانیم شبکه‌های عصبی مصنوعی مدل شده شبکه‌های عصبی بدن انسان بوده و از نظر علمی اثبات شده است. شبکه‌های عصبی یک مدل غیرخطی بوده و ماهیت توزیع شدگی دارد بنابراین می‌تواند مناسب برای مدل نمودن و شبیه‌سازی سیستم‌های توزیع شده باشد و با توجه به اثبات‌های انجام شده می‌توان به مدل سازگار، قابل اعتماد و تحمل‌پذیر خطا دست یافت.
در سیستم‌های توزیع شده یک الگوریتم مرکزی کار هماهنگ کنندگی را انجام می‌دهد و فرآیندهای درخواست‌کننده دسترسی به ناحیه بحرانی را کنترل می‌کند.هر فرایند می‌تواند یک درخواست داشته باشد و به تنهایی کار کند. در هر لحظه یک فرایند می‌تواند در ناحیه بحرانی باشد. در مدل ارائه شده هر یک از فرآیندها با یک نرون شبیه‌سازی می‌شود. استفاده از شبکه عصبی رقابتی که در هر بار اجرا، تنها یک نرون برنده خواهد شد و ما را به ماهیت ناحیه بحرانی خواهد رساند. همچنین هر نرون به تنهایی می‌تواند به کار خود ادامه داده و نتایج خود را تولید نماید.
در شبکه عصبی هر سلول عمل جداگانه و مستقلی از سایر سلول‌ها دارد. بنابراین خروجی نهایی مستقل از رفتار محلی سلول‌ها است.علاوه بر این استقلال سلول‌ها تحت عنوان همکار می‌توانند با یکدیگر همکاری داشته باشند و این نشان دهنده تحمل‌پذیری بالا است همچنین بحث شفافیت که در سیستم‌های توزیع شده بوده را برقرار می‌کند. با تعریف واحدی سلول‌هایی که زمان زیادی منتظر مانده را شناسایی و شانس برنده شدنشان در رقابت را بالا می‌بریم تا از گرسنگی و بن‌بست جلوگیری نماییم. می‌توان گفت با بهره گرفتن از شبکه عصبی رقابتی ما علاوه بر برچسب زمانی، زمان اجرا و الویت اجرا نیز در دسترسی به ناحیه بحرانی می‌توانیم دخیل نماییم.
همگام سازی بین فرآیندها اغلب مستلزم آن است که یک فرایند به عنوان یک هماهنگ کننده عمل کند. در این موارد که هماهنگ کننده ثابت نیست، لازم است که فرآیندها به صورت توزیع شده تصمیم بگیرند که کدام فرایند به عنوان هماهنگ کننده عمل نماید. چنین تصمیمی به وسیله الگوریتم‌های انتخاب صورت می‌گیرد. الگوریتم‌های انتخاب عمدتاً در مواردی استفاده می‌شوند که هماهنگ‌کننده ممکن است از کار بیفتد. در این پایان‌نامه روشی براساس شبکه عصبی رقابتی که سیستم توزیع شده را مدل نموده و ناحیه بحرانی بدون از بین رفتن کیفیت نتایج را کنترل نماید، ارائه خواهد شد. سعی به ارائه روشی است که به برنامه‌نویسان این امکان را بدهد که به راحتی برنامه‌های موازی برای اجرا در سیستم‌های توزیع‌شده و پردازنده‌های چند هسته‌ای را ایجاد نمایند. به منظور کاهش سربار هماهنگ‌سازی یا از بین بردن کامل آن ابتدا قسمت‌هایی از کد موازی که نیاز به همزمان‌سازی دارد مشخص شده سپس معیاری را برای قابل قبول‌بودن و تعیین کیفیت راه‌حل تعیین می‌شود. نقاط دارای انعطاف مشخص شده و ترتیب‌های مختلف اجرا را با، کد تغییر ترتیب اجرا که مشخص کننده انواع روش‌های اجرا برنامه است، لیست می‌شود. در نهایت میزان سودآوری هر کدام تعیین شده و بهترین انتخاب می‌شود.
بهره برداران سیستم‌های توزیع شده و بحث همگامی و همزمانی در آن بسیار زیاد است که در ادامه به چند نمونه اشاره می‌شود:
کارخانه که خط تولید تمام الکترونیک داشته و با روبات‌ها به تولید می‌پردازد، هر ربات دارای کامپیوتری برای برنامه ریزی، ارتباطات، و کارهای دیگر می باشد. هنگامی که یک ربات در خط مونتاژ اطلاع پیدا کند که بخشی از نصب و یا انتقال کار معیوب است، از روبات دیگری در بخش قطعات درخواست می‌کند که آن را بایک قطعه دیگر جایگزین کند. اگر همه روبات ها از دستگاه‌های جانبی متصل به کامپیوتر مرکزی استفاده نمایند، سیستم باید برای این عمل همزمانی و همگامی مناسب را داشته باشد.
یک سیستم کنترل ترافیک خودکار که در آن اطلاعات جمع آوری شده با بهره گرفتن از این اطلاعات تصمیم گیری لازم صورت می‌گیرد و سپس سیگنالهایی را به محرکهایی که محیط سیستم را اصلاح می‌نمایند فرستاده می‌شود. معمولاً هر فرایند در پردازنده‌های جداگانه‌ای صورت می‌گیرد و برای این عمل نیاز به همگامی و همزمانی مناسب می‌باشد.
بانکی با صدها شعبه در منطقه جغرافیایی بزرگی را در نظر بگیرید که در هر شعبه یک کامپیوتر مرکزی به ذخیره حساب های محلی و مسئولیت رسیدگی به معاملات محلی مربوط به منطقه خود را دارد. علاوه بر این، هر کامپیوتر توانایی ارتباط با کامپیوترهای شعبه‌های دیگر و کامپیوتر مرکزی در دفتر مرکزی را دارد. اگر معاملات را بتوان بدون توجه به جایی که مشتری حساب خود را افتتاح کرده است انجام داد، در این صورت نیز می توان این سیستم را به عنوان یک سیستم توزیع شده دانست و از الزامات آن نیاز به همگامی و همزمانی است.
از دیگر کاربردها می‌توان به سیستم ATM، بانکداری اینترنتی، موتورهای جستجو اینترنتی، سرویس‌های پست الکترونیکی و برنامه‌های گفتگو برخط گروهی و آموزش مجازی برخط نمونه‌های دیگری از این قرار می‌باشد.
ساختار پایان‌نامه
ساختار پایان نامه بصورت زیر است:
فصل دو. مفاهیم پیش‌زمینه. در این فصل تعریفی سیستم‌های توزیع شده، اهداف طراحی این سیستم‌ها و انواع آن مورد بحث قرار می‌گیرد و شبکه‌های حسگر بی‌سیم را به‌عنوان نوعی از این سیستم‌ها توزیع داده می‌شود. به دلیل استفاده از شبکه‌های عصبی رقابتی در فصل چهار این شبکه‌ها نیز مختصراً مورد بحث قرار خواهد گرفت.
فصل سه. تحقیقات و نوآوری­های انجام گرفته. در این فصل به معرفی تحقیقات و کارهای مرتبط در زمینه همگامی و هماهنگی سیستم‌های توزیع شده و روش‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری استفاده شده برای این‌کار معرفی و مقایسه می‌شود. از بین تحقیقات و نوآوری­های انجام گرفته، روش­هایی که از لحاظ نوآوری و صحت خروجی در ارائه نتایج به کاربر از سایرین دارای خروجی مطلوبتری بوده انتخاب و مزایا و معایب آن‌ها بیان شده است.
فصل چهارم. سیستم پیشنهادی. در این فصل به مبحث همگامی ارتباطات در شبکه‌های حسگر پرداخته شده و در ابتدا انواع الگوریتم‌های موجود در اجرای انحصار متقابل در سیستم‌های توزیع شده را بیان و سپس شباهت‌های یک سیستم توزیع شده با شبکه‌های عصبی رقابتی بیان شده است و بعداز آن با بهره گرفتن از شبکه‌های عصبی مدلی برای شبیه‌سازی و مدل نمودن همگامی ارتباطات شبکه‌های حسگر که خود یک سیستم فراگیر توزیعی است پرداخته می‌شود.
فصل پنجم. ارزیابی سیستم پیشنهادی. در این فصل ابتدا نرم‌افزار انتخابی برای شبیه‌سازی و سپس دلایل انتخاب این نرم‌افزار بیان شده و مجموعه داده انتخاب شده برای ارزیابی شرح داده شده است. در مورد جزییات پیاده سازی و نتایج بدست آمده نیزبحث شده است.
فصل ششم.نتیجه‌گیری و کارهای آینده. در این فصل روش ارائه شده در این پایان‌نامه را بطور کلی بیان نموده و سپس نتایج حاصل از این تحقیق و کارهایی که می‌توان برای بهبود روش ارائه شده انجام داد بیان شده است.
مفاهیم پیش‌زمینه
مقدمه
میزان رشدی که طی نیم قرن گذشته در عرصه فن‌آوری کامپیوترها رخ داده، واقعاً مبهوت کننده و در مقایسه با صنایع دیگر، کاملاً بی سابقه است. بطوریکه از ماشین‌هایی با قیمت ۱۰ میلیون دلار که قادر به اجرای فقط یک دستورالعمل در عرض یک ثانیه بودند، امروزه به ماشین‌هایی رسیده‌ایم که ۱۰۰۰ دلار قیمت داشته و در عوض قادر به اجرای یک میلیارد دستورالعمل در واحد ثانیه بوده و نسبت کارآیی به قیمت آن‌ها ۱۰ برابر شده است. اگر ماشین‌ها هم در این فاصله زمانی با همین سرعت رشد می‌کردند، امروز رولزرویس فقط یک دلار قیمت داشت و در یک میلیارد مایل فقط حدود چهار لیتر بنزین مصرف می‌کرد ]۱۱[.
پیشرفت دوم مربوط به پیدایش شبکه‌های کامپیوتری پرسرعت بود. شبکه‌های محلی یا ^[۲۲]LANها باعث می‌شوند تا صدها ماشین در یک ساختمان طوری به هم متصل شوند که بتوان مقادیر کمی از اطلاعات را در عرض تقریباً چند میلی ثانیه بین آن‌ها انتقال داد. انتقال مقادیر بزرگ‌تر داده‌ها در بین ماشین‌هایی با سرعت ۱۰۰ میلیون با ۱۰ میلیارد بیت بر ثانیه امکان‌پذیر است. شبکه‌های گسترده یا WAN^[23]ها امکان اتصال میلیون‌ها ماشین در سرتاسر جهان با سرعت متغیر از ۶۴ کیلوبیت در ثانیه تا گیگابیت در ثانیه را فراهم کرده است.
در اثر تمامی این فن‌آوری‌ها، امروزه در کنار هم قرار دادن سیستم‌های محاسباتی متشکل از تعداد زیادی کامپیوتر که به وسیله یک شبکه کامپیوتری پرسرعت بهم متصل شده باشند، امروزه نه تنها امکان‌پذیر، بلکه آسان هم شده است. این شبکه های کامپیوتری یا به اصطلاح سیستم‌های توزیعی با سیستم‌های متمرکز^[۲۴] (یا سیستم‌های تک پردازشگری^[۲۵]) قدیمی که فقط از یک کامپیوتر، دستگاه‌های جانبی و احتمالاً پایانه‌های دور^[۲۶] تشکیل می‌شدند، متفاوت است.
تعریف سیستم‌های توزیعی
در منابع مختلف تعاریف مختلفی هم برای سیستم‌های توزیعی ارائه شده است. اما هیچ‌یک نه کامل است و نه با دیگری همخوانی دارد. در ]۱۱ [یک تعریف تقریبی ارائه شده است که برای اهداف ما کفایت می‌کند:
«سیستم توزیعی در واقع مجموعه‌ای از کامپیوترهای مستقل^[۲۷] است که برای کاربر خود، مانند یک سیستم منسجم^[۲۸] و منفرد^[۲۹] به‌نظر می‌رسد.»
این تعریف نکته‌های مختلف و مهمی در خود دارد. اول آنکه، یک سیستم توزیعی از مولفه‌های (یعنی کامپیوترهای) خود مختار تشکیل می‌شود. نکته دوم اینکه، کاربران (چه افراد و چه برنامه‌ها) تصور می‌کنند که با یک سیستم منفرد کار می‌کنند. به این معنا که مولفه‌های خودمختار^[۳۰] بایستی به روشی با هم همکاری^[۳۱] کنند. نحوه ایجاد این همکاری هسته اصلی سیستم‌های توزیعی را تشکیل می‌دهد. توجه داشته باشید که هیچ فرضی راجع به نوع کامپیوترها صورت نمی‌گیرد. اما در مجموع، حتی در داخل یک سیستم منفرد هم، انواع کامپیوترها، از کامپیوترهای بزرگ کارا گرفته تا گره‌های کوچک در شبکه‌های حسگر، به چشم می‌خورد. به همین ترتیب، هیچ فرضی راجع به نحوه اتصال کامپیوترها صورت نمی‌گیرد. در ادامه راجع به این جنبه‌های مختلف بحث خواهیم کرد]۱۱[.
در مجموع، توسعه یا به مقیاس درآوردن^[۳۲] سیستم‌های توزیعی باید نسبتاً به راحتی انجام شود. این ویژگی، هرچند پیامد مستقیم استقلال کامپیوترهاست، در عین حال باعث مخفی‌سازی کلی نقش واقعی این کامپیوترها در سیستم می‌شود. حتی در صورت خرابی موقت برخی بخش‌های سیستم توزیعی، این سیستم‌ها معمولاً همواره در دسترس هستند. با این وجود، کاربران و برنامه‌های کاربردی نبایستی متوجه تعمیر یا تعویض بخش‌های معیوب و یا افزودن یا عدم افزودن بخش‌های جدید برای خدمت‌رسانی به کاربران یا برنامه‌های کاربردی بشوند.
به منظور پشتیبانی از کامپیوترها و شبکه‌های ناهمگن^[۳۳] و در عین حال ارائه دیدگاه سیستمی واحد، سیستم‌های توزیع‌شده، اغلب به وسیله لایه‌ای از نرم‌افزار سازمان‌دهی می‌شوند که به صورت منطقی میان لایه سطح بالاتر شامل کاربران و برنامه‌های کاربردی و لایه زیرین شامل سیستم‌های عامل و امکانات ارتباطی اصلی، قرار دارد؛ که در شکل ۲-۱ به ترتیب نشان داده شده‌اند. چنین سیستم توزیع‌شده‌ای گاهی اوقات میان‌افزار^[۳۴] نامیده می‌شود.
شکل ‏۲‑۱- سیستم توزیع‌شده‌ای که به صورت میان‌افزار سازمان‌دهی شده است. لایه میان‌افزار روی چندین ماشین گسترده شده است و برای تمامی برنامه‌های کاربردی، واسط یکسانی را ارائه می‌دهد ]۱۱[.
اهداف
امکان ساخت سیستم‌های توزیعی لزوماً به معنای خوب بودن این ایده نیست. مثلاً هر چند فن‌آوری نوین امکان قرار دادن چهار فلاپی دیسک درایو روی کامپیوترهای شخصی را فراهم آورده، ولی به دلیل بی‌مورد بودن کسی حتی به فکر انجام آن‌هم نمی‌افتد. در این بخش، راجع به چهار هدف مهمی بحث خواهیم کرد که ساخت سیستم‌های توزیعی فقط در سایه برآورده شدن آن‌ها موجه و معقول است؛ یک سیستم توزیعی باید امکان دسترسی راحت به منابع را فراهم آورد؛ باید به صورتی منطقی و صحیح توزیع منابع در سرتاسر شبکه را مخفی کند؛ باید باز باشد و بلاخره اینکه باید مقیاس‌پذیر باشد]۱۱[.
دسترس‌پذیر کردن منابع
هدف اصلی سیستم‌های توزیعی آن است که کاربران (و برنامه‌های کاربردی) بتوانند به راحتی به منابع از راه دور دسترسی پیدا کرده و بصورتی کنترل شده و موثر، در آن‌ها شریک^[۳۵] شوند. این منابع ممکن است از هر نوعی باشند، اما بعنوان برخی نمونه‌ها می‌توان به چاپگر‌ها، کامپیوترها، تجهیزات ذخیره‌سازی، داده‌ها، فایل‌ها، صفحات وب و شبکه‌ها اشاره کرد. دلایل متعددی را می‌توان برای لزوم اشتراک منابع، از جمله مسایل اقتصادی، ذکر کرد. بعنوان مثال، از نظر اقتصادی به صرفه‌تر است که در یک دفتر کار کوچک چندین کاربر از یک چاپگر واحد استفاده کنند تا اینکه هر یک مجبور به خرید و نگهداری از یک چاپگر جداگانه باشد. به همین ترتیب، از نظر اقتصادی به صرفه است که از منابع هزینه‌بری از قبیل ابر کامپیوتر‌ها، سیستم‌های ذخیره کارا‌، شکل نگارها^[۳۶] و دیگر وسایل جانبی گران قیمت به صورت اشتراکی استفاده کنیم. بعلاوه، اتصال کاربران و منابع باعث تسهیل همکاری و تبادل اطلاعات می‌شود که از نمونه‌های آن می‌توان به موفقیت اینترنت در سایه پروتکل‌های ساده آن جهت تبادل فایل‌ها، کارهای پستی، اسناد، صوت و شکل اشاره کرد. امروزه، اتصال به اینترنت باعث ایجاد سازمان‌های مجازی^[۳۷] متعددی شده که در آن‌ها، گروه‌های انسانی که گاهی اوقات حتی چندصدهزار کیلومتر از هم فاصله دارند، با بهره گرفتن از گروه‌افزار^[۳۸] -یعنی، نرم‌افزاری برای ویرایش اشتراکی، کنفرانس‌های تلفنی و غیره- با هم کار می‌کنند. به همین ترتیب، ارتباطات اینترنتی با فراهم کردن امکان تجارت الکترونیک، موجب شده‌اند تا بتوان بدون مراجعه به فروشگاه یا حتی خروج از خانه انواع کالاها را خرید و فروش کرد.
اما همین افزایش امکان ارتباط و شراکت، نیاز روزافزون به امنیت را هم مطرح می‌کند. در حال حاضر، سیستم‌ها از محافظت کمی در برابر استراق سمع^[۳۹] و نفوذ^[۴۰] در ارتباط برخوردار هستند. کلمات عبور و دیگر اطلاعات حساس غالباً بصورت متن واضح^[۴۱] (یعنی فاقد رمز) از طریق شبکه ارسال شده و یا در خدمت‌گزارهایی ذخیره می‌شوند که نمی‌توان اطمینان چندانی به معتبر بودن آن‌ها داشت. در این زمینه هنوز عرصه برای بهبود باز است. به‌عنوان مثال، امروزه خریداران می‌توانند صرفاً با ارائه یک شماره کارت اعتباری، حتی در صورتی هم که صاحب واقعی کارت نباشند، کالا خریداری کنند. اما در آینده، سفارش‌دهی به این ترتیب فقط در صورتی امکان‌پذیر خواهد بود که با قرار دادن کارت در کارت‌خوان، دارنده کارت به‌صورت فیزیکی هم صاحب کارت باشد.
شفافیت توزیع^[۴۲]
یکی از اهداف مهم سیستم‌های توزیعی مخفی‌سازی این واقعیت است که فرآیندها و منابع مربوط به آن به صورت فیزیکی در بین ماشین‌های متعدد توزیع شده‌اند. سیستم توزیعی که در نظر کاربران و برنامه‌های کاربردی خود به‌صورت یک سیستم کامپیوتری منفرد جلوه کند، اصطلاحاً شفاف^[۴۳] نامیده می‌شود. ابتدا انواع شفافیت در سیستم‌های توزیعی را بیان می‌کنیم و سپس به این پرسش کلی پاسخ می‌دهیم که آیا همیشه نیازمند شفافیت هستیم یا فقط گاهی اوقات به آن نیاز داریم.
انواع شفافیت: گرچه مفهوم شفافیت را می‌توان درمورد جنبه‌های مختلف یک سیستم توزیعی بکار برد، مهمترین آن‌ها در جدول ۲-۱ ارائه شده است.
جدول ‏۲‑۱- انواع مختلف شفافیت در سیستم های توزیعی ]۱۱[

شفافیت

شرح