NFR2

2-6-1چگونه سرویسها منطق را محصور میکنند18
2-6-2 چگونه سرویس ها از وجود یکدیگر مطلع می شوند19
2-6-3 چگونه سرویس ها با هم ارتباط برقرار می کنند19
2-6-4 چگونه سرویسها طراحی می شوند19
2-6-5 توصیفات سرویسها 20
2-7 ویژگی های معماری سرویس گرا 20
2-8 تعریف گذرگاه سرویس 22
2-8-1 مسیریابی و مقیاس پذیری23
2-8-2 تبدیل پروتکل انتقال24
2-8-3 تبدیل پیام25
2-8-4 ویژگی ها و مزایای گذرگاه سرویس26
2-8-5 اجزای گذرگاه سرویس27
2-9 انگیزه ی حرکت سیستم های تولیدی به سمت معماری سرویس گرا29
2 -10 تعریف برون سپاری 31
2-10-1 عوامل تاثیر گذار بر برون سپاری 32
2-10-2 دلایل عمده برون سپاری34
2-10-3 معایب برون‌سپاری35
2-10-4 تعریف برون سپاری استراتژیک 36
2-10- 5 کارهای انجام شده در ارتباط با برون سپاری 36
2-11 سیستم اطلاعاتی40
2-12 کارهای انجام شده د ر ارتباط با به کارگیری سیستم اطلاعاتی در یکپارچگی واحد های مختلف تولید41
2-13 نتیجه گیری45
فصل سوم: روش تحقیق46
3-1 مقدمه47
3-2 نگاه کلی و هدف از ارائه مدل پیشنهادی47
3-3 رویکرد کنترلی برای تعامل سرویس های استخراج شده در سیستم اطلاعاتی پیشنهادی49
3 -4 متدولوژی SOMA در طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا53
3-4-1 فاز شناسایی سرویس ها در متدولوژی SOMA53
3-4-1-1 تکنیک سرویس – هدف 54
3–4- 1-2 تکنیک تجزیه دامنه55
3–4- 1-3 تجزیه و تحلیل دارایی های موجود 55
3-5 راهکارپیشنهادی: طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا56
3-5-1 شناسایی سرویس های سیستم اطلاعاتی با استفاده ازمتدولوژیSOMA56
3-5-2روند جریان اطلاعات در سیستم اطلاعاتی سرویس گرا60
3-6 مدلسازی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا با استفاده از زبان UML74
3 -7 الگوی راه حل پیشنهادی متدولوژی SOMAبرای استفاده در سیستم های اطلاعاتی81
3-8 برنامه ریزی استراتژیک سیستم اطلاعاتی85
3-9 نتیجه گیری 88
فصل چهارم: محاسبات و یافته های تحقیق89
4-1 مقدمه90
4-2 مطالعه موردی – شرکت ایران خودرو90
4-3 طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا برای شرکت ایران خودرو93
4 - 3- 1 مدل فرایند ورود کاربران ایران خودرو به سیستم اطلاعاتی خودرو94
4 -3- 2مدل فرایند نظارت واحد تدارکات ایران خودرو بر موجودی انبار (مواد اولیه).96
4 -3- 3 مدل فرایند درخواست قطعه از انبار ایران خودرو97
4 -3- 4 مدل فرایند اجرای محصول درخواستی مشتری ایران خودرو99
4 -3- 5 مدل فرایند پرداخت مشتری 101
4 -3- 6 مدل فرایند تحویل محصولات به مشتریان ایران خودرو 102
4 -3-7 مدل فرایند خدمات پس از فروش مشتریان ایران خودرو 102
4 - 4 مشخصه سرویس ها در سیستم اطلاعاتی سرویس گرا 104
4 - 5 تدوین راهبردها در راستای سیستم اطلاعاتی، با استفاده از ماتریس SWOT 105
4 - 6 تحلیل استراتژیک سیستم اطلاعاتی سرویس گرا برای شرکت ایران خودرو107
4-7 فرآیند تحلیل سلسه مراتبی AHP113
4-8 نتیجه گیری116
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات117
5-1 خلاصه تحقیق118
5-2 بررسی مزایای رهیافت پیشنهادی118
5-3 محدودیت ها و زوایای پوشش داده نشده119
5-4 اقدامات آتی120
ضمائم و پیوست ها 121
ضمیمه 1- کدهایWSDL مربوط به مشخصه سرویس احراز هویت 122
ضمیمه 2- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس پرداخت آنلاین 126
ضمیمه 3- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس صدور فاکتور129


ضمیمه 4- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس رفع مشکل فراموش کردن رمز عبور 134
ضمیمه 5- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس بررسی وضعیت پرداخت صورتحساب.. 138
منابع و مآخذ142
Abstract 146
فهرست جداول
جدول 2-1 محرکهای چندگانه برون سپاری 33
جدول 3-1 اهداف– زیر اهداف 57
جدول 3-2 تجزیه دامنه سیستم اطلاعاتی 59
جدول4-1عملیات مربوط با هرسرویس کاری سیستم اطلاعاتی سرویس گرابرای شرکت ایران خودرو 104 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول 4-2 ماتریس SWOT مطالعه موردی 109 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول 4-3 مقایسه زوجی بین سرویس های دانه ریز مربوط به سرویس دانه درشت نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 114 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول4-4 وزن دهی سرویس های مربوط به سرویس دانه درشت نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 115 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول4-5 لیست اولویت بندی سرویس های دانه درشت 115
فهرست تصاویر و نمودار HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 1-1 مراحل انجام تحقیق 5 HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 2-1 مدل انجام پیمانکاری فرعی صنعتی بین صنایع کوچک و بزرگ 10
شکل 2-2 محصورسازی اندازه های مختلفی از منطق توسط سرویس 18
شکل 2-3 ارتباط بین برنامه های کاربردی مختلف در ESB 23
شکل 2-4 ارتباط غیر مستقیم بین برنامه های کاربردی با استفاده از قابلیت مسیریابی پیام ESB 24
شکل 2-5 برقراری ارتباط بین برنامه های کاربردی با پروتکل های انتقال مختلف با استفاده از پیاده سازی گذرگاه سرویس سازمانESB 25
شکل 2-6 با استفاده ازESB برنامه های کاربردی می توانند حتی زمانی که فرمت پیام ها و پروتکل های ارتباطی متفاوت دارند، با یکدیگر تعامل داشته باشند26
شکل 2-7 اجزای منطقی تشکیل دهنده ESB 28
شکل 3-1 روند انجام کار 49
شکل 3-2 ارکسترازیسیون سرویس های سیستم اطلاعاتی سرویس گرا 51
شکل 3-3 فلوچارت روند جریان اطلاعات ورود کاربر به سیستم اطلاعاتی و ثبت اطلاعات کاربر 62 شکل 3-4 فلوچارت روند جریان اطلاعات نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 63
شکل 3-5 فلوچارت روند جریان اطلاعات درخواست قطعه از انبار 65
شکل 3-6 فلوچارت روند جریان اطلاعات اجرای محصول درخواستی 67
شکل 3-7 فلوچارت روند جریان اطلاعات پرداخت مشتری 69
شکل 3-8 فلوچارت روند جریان اطلاعات تحویل محصول به مشتری 71 HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 3-9 فلوچارت روند جریان اطلاعات پشتیبانی مشتری 73 HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 3-10 نمودار use case احراز هویت و مدیریت ورود کاربران به سیستم اطلاعاتی 75
شکل 3-11 نمودار use case نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 76
شکل 3-12 نمودار use case درخواست قطعات مورد نیاز واحد تولید از انبار (مواد اولیه)77
شکل 3-13 نمودار use case اجرای محصول درخواستی مشتری 78
شکل 3-14 نمودار use case مدیریت هزینه ی سفارشات اجرا شده79
شکل 3-15 نمودار use case تحویل محصول به مشتری80
شکل 3-16 نمودار use case پشتیبانی مشتری81
شکل 3-17 سرویس های سیستم اطلاعاتی سرویس گرای spx 83
شکل 3-18 الگوی راه حل ESB برای استفاده از سرویس های سیستم اطلاعاتی در سازمان 85
شکل4-1 حوزه ی فعالیت های برون سپاری شرکت ایران خودرو92
شکل 4-2 فلوچارت ورود و ثبت اطلاعات کاربران ایران خودرو در سیستم اطلاعاتی 95
شکل 4-3 فلوچارت نظارت واحد تدارکات ایران خودرو بر موجودی انبار(مواد اولیه)96
شکل 4-4 فلوچارت درخواست قطعه از انبار 98
شکل 4-5 فلوچارت اجرای محصول درخواستی مشتری ایران خودرو 100
شکل 4-6 فلوچارت پرداخت مشتریان ایران خودرو 101
شکل 4-7 فلوچارت تحویل سفارش به مشتریان ایران خودرو 102
شکل 4-8 فلوچارت پشتیبانی مشتریان ایران خودرو 103
شکل 4-9 نمودار سلسله مراتب سرویس ها 114
فصل اول
مقدمه و کلیات تحقیق
1–1 مقدمهسازمان بزرگ مقیاس از واحدها، محصولات و سرویس های متنوع زیادی تشکیل شده است. این واحدها زیر ساخت مختلف دارند که دارای سرویس های مختلفی هستند. به منظور ارتقای کیفیت کالاها و افزایش میزان تنوع کالا و نو آوری سازمان های بزرگ مقیاس می توانند از پیمانکاری فرعی صنعتی، به عنوان یکی از روشهای تامین سفارشهای تولیدی از بیرون، استفاده کنند. هدایت و کنترل سازمان بزرگ مقیاس و پیچیده نیاز به پیروی از یک چارچوب و برنامه منسجم دارد. امروزه سیستم های سرویس گرا با توجه به امکان استفاده در محیط های مختلف و عدم وابستگی به فناوری خاص، وجود سیستم های بزرگ مقیاس پویا با نیازهای متغیر، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. معماری سرویس گرا به دلیل سرعت در پیاده سازی برنامه کاربردی سازمان را به سمت توزیع شدگی و مدیریت صحیح منابع پیش می برد. معماری سرویس گرا امکان ایجاد یکپارچگی بین برنامه واحدها بدون وابستگی به سکو و فناوری پیاده سازی را فراهم می کند. ایجاد زیرساخت های مورد نیاز برای این رویکرد به دلیل نیاز به زمان و هزینه زیاد، برای سازمان هایی مناسب است که ناهمگن بوده و دارای توزیع شدگی زیاد هستند. معماری سازمانی مجموعه ای ازفراورده ها است که عناصر زیرساختی سازمان و روابط این عناصر با هم را معرفی می کند و سازمان را از ابعاد مختلف مورد بررسی قرار میدهد.
1– 2 طرح مسئلهسازمان بزرگ مقیاس به دلیل داشتن واحدهای گوناگون، تعداد و تنوع زیاد محصول و سرویس ها و ارتباط پیچیده و محیط پویا و رقابتی نیاز به برنامه ریزی استراتژیک دارد زیرا برنامه ریزی استراتژیک یکی از عوامل اصلی یکپارچگی کسب و کار و فناوری اطلاعات وحصول مزیت رقابتی می باشد تا براساس برنامه تهیه شده بسوی اهداف مورد نظر به پیش رود وهمواره ناظر برحرکت خودباشد تا انحرافات احتمالی راشناسایی وتعدیل کند. مدل عملی برنامه ریزی استراتژیک برای سازمانهایی است که ارتباط واحدها از طریق سرویس گرایی می باشد. سازمانها به منظور حفظ خود در بازارهای رقابتی همواره در حال رشد و تغییر کسب و کار خود هستند. بنابراین بایستی سیستم های اطلاعاتی خود را به گونه ای انتقال و ارتقا دهند تا بتوانند پاسخگوی نیازهای بازار و تغییرات زیاد فناوری باشند. این مدل دو دیدگاه فنی و استراتژیک را در خود هماهنگ و یکپارچه می سازد. استفاده از چارچوب و معماری سازمانی راهکار مفیدی برای برنامه ریزی، مدیریت و یکپارچگی واحدها می باشد. برنامه ریزی استراتژیک موجب می شود تا کار واحدها و سازمان سریع تر انجام شود و پیش برود. این برنامه باید آینده نگر و محیط گرا باشد بطوری که ضمن شناسایی عوامل وتحولات محیطی، در یک افق زمانی بلند مدت تأثیرآنها بر سازمان ونحوه تعامل سازمان باآنها را مشخص کند. چارچوب استراتژیک موجب تسهیل فرایند برنامه ریزی استراتژیک و شناسایی رقبا، مشتریان، تأمین کنندگان، محصولات و موجب شناسایی سطوح کیفی و رقابتی رقبا و بهبود عملکرد می شود.
در این تحقیق، یک چارچوب استراتژیک برای نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (spx) در سازمان بزرگ مقیاس سرویس گرا که ارتباط واحدها از طریق سرویس می باشد ارائه شده است تا برنامه ریزی و مدیریت واحدها تسهیل یابد و بدین ترتیب کار سازمان سریع تر و دقیق تر انجام شود.
1-3 مفروضات

سیستم اطلاعاتی، یک سیستم برای جمع آوری، سازماندهی و ذخیره کردن اطلاعات در یک سازمان است.
سیستم اطلاعاتی از طریق تعریف فرایندها و رویه ها، انجام عملیات سازمان را به عهده می گیرند.
معماری سرویس گرا هم راستای فرایندهای کسب و کار است.
برنامه ریزی استراتژیک گونه ایی از برنامه ریزی است که در آن هدف تدوین استراتژی هاست.
1 - 4 اهداف تحقیق
پیمانکاری فرعی صنعتی، یکی از راه های مدرن و مؤثر سازمانی برای تولید محصولات صنعتی از راه همکاری واحدهای تولیدی مکمل است.در سازمان بزرگ مقیاس که از واحدهای مختلف تشکیل شده است می توان از نظام مبادلات پیمانکاری فرعی استفاده نمود.در سیستم های مقیاس وسیع به دلیل گستردگی حیطه مسئله، با موجودیتها و ارتباطات بسیار زیادی مواجهه هستیم، در صورتی که در توسعه این سیستم ها از روش سنتی استفاده کنیم به علت مواجه با حجم زیاد موجودیت ها و ارتباطات دچار سردرگمی خواهیم شد.به همین دلیل برای کاهش پیچیدگی در این سیستم ها از موجودیتی به نام سرویس به منظور بالا بردن سطح تجرید و در نتیجه کاهش پیچیدگی استفاده می شود. برای نظام مبادلات پیمانکاری فرعی در سازمان بزرگ مقیاس سرویس گرا یک چارچوب استراتژیک ارائه شده است که درنهایت منجر به افزایش میزان بهره وری سازمانی، بهبودخدمات سازمان، تسهیل روابط سازمانی، افزایش میزان تعامل پذیری دربین سیستم های اطلاعاتی،افزایش میزان یکپارچگی اطلاعات، افزایش سطح امنیت اطلاعات وغیره خواهد بود.
با توجه به ویژگی های معماری سرویس گرا و نقش آن در آن در یکپارچه سازی برنامه کاربردی سازمان ها و پیشرفت چشمگیر سرویس گرایی در دنیا و حرکت اکثر کشورها و سازمان ها به سمت موضوع سرویس گرایی می توان نتیجه گرفت که معماری سرویس گرا گزینه ی مناسبی برای حل بسیاری از چالش های یکپارچه سازی در سازمان است. اما به دلیل وجود برخی مشکلات و نواقص که در بخش قبل به پاره ای از آن ها اشاره شد، همچنان تحقیق در این زمینه با هدف چالش های موجود ادامه دارد.
1 –5 محدوده پایان نامه
همانطور که در قسمت پیش اشاره شد، سازمان بزرگ مقیاس به گروهی از واحدها اطلاق می شود که برای تولید کالا با هم در ارتباط بوده و همدیگر را تکمیل می کنند و بر مبنای یک توافق یا پیمانکاری با هم فعالیت می کنند. در سازمان بزرگ مقیاس با به کارگیری نظام مبادلات پیمانکاری فرعی کارها را به واحدهای کوچک ومتوسط (SMEs) برون سپاری می کنند. در این تحقیق هدف، ارائه یک چارچوب استراتژیک است.
1 –6 مراحل انجام تحقیق
در این تحقیق برای پاسخگویی به مسائل مطرح شده از مطالعات کتابخانه ای جهت شناسایی مفاهیم مورد نیاز تحقیق استفاده شده است. ابتدا، مطالعاتی درباره سرویس گرایی مطرح شد و در ادامه به بررسی سازمان بزرگ مقیاس و نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (SPX)، برنامه ریزی استراتژیک پرداخته شد. مختصری مطالعه در مورد SOMA صورت گرفت، و سپس سرویس های سیستم اطلاعاتی توسط این روش شناسایی شدند. برای اطمینان از مناسب بودن سرویس های شناسایی شده به ارزیابی سرویس پرداخته شد. رویکرد پیشنهاد شده با استفاده از یک مطالعه موردی مورد ارزیابی قرار گرفت. در نهایت به جمع بندی و نتیجه گیری تحقیق پرداخته شد.
در شکل 1-1 این مراحل نشان داده شده اند.
شکل 1 – 1 . مراحل انجام تحقیق
1 – 7 ساختار پایان نامه
این پایان نامه در فصل های بعد به شرح زیر است:
در فصل دوم به بررسی مفاهیم بنیادی و ادبیات موضوع پرداخته شده است و همچنین کارهای انجام شده در زمینه معماری سرویس گرا، سازمان بزرگ مقیاس و نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (spx) سیستم اطلاعاتی تولید و کارهای انجام شده در این زمینه می پردازیم.
در فصل سوم با بررسی و استخراج فرآیندها و سرویس ها، به طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا و ایجاد ارتباط داده های آن ها می پردازیم، و توضیحاتی را راجع به برنامه ریزی استراتژیک، به عنوان ابزار تدوین راهبردها بیان می کنیم. در فصل چهارم یک مطالعه موردی در راستای کار انجام شده مورد بحث قرار گرفته و مدل تطبیق داده شده را با استفاده از برنامه ریزی استراتژیک مورد ارزیابی قرار می دهیم. در نهایت در فصل پنجم جمع بندی و نتیجه گیری کارهای انجام شده و کارهای آینده بیان شده است.
فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
2- 1مقدمه
در فصل پیش مسئله مورد اشاره در ا ین تحقیق معرفی شد و محدوده آن تعیین گردید. هدف از این فصل آشنایی با مفاهیم کلیدی به کاربرده شده در این تحقیق است. سرویس گرایی سبک و روشی برای طراحی، پیاده سازی، استقرار و مدیریت سیستم های اطلاعاتی است. این سیستم ها از مولفه هایی تشکیل شده اند که منطق سازمان و واحدهای کاری آن را پیاده سازی می کنند که این مولفه ها سرویس نام دارد. نقش سرویس در معماری سرویس گرا، خودکار سازی واحدهای کاری و دانه بندی آنها در واحدهای مجزاست، بطوریکه بتوان سازمان و منطق کسب و کار آن، همچنین روندهای کاری موجود را با تغییرات قوانین و فناوری ها، بروزرسانی و هماهنگ نمود. سرویس گرایی، علاوه بر مزایایی از قبیل حذف سیلوهای اطلاعاتی و سرعت در پیاده سازی برنامه های کاربردی، سازمان را به سمت توزیع شدگی ومدیریت صحیح منابع پیش می برد ]10 [. لازم به ذکر است که ایجاد زیرساخت های مورد نیاز برای این رویکرد به دلیل نیاز به زمان و هزینه زیاد، برای سازمان هایی مناسب است که ناهمگن بوده و دارای توزیع شدگی زیاد هستند. دراین فصل معماری سرویس گرا، سازمان بزرگ مقیاس و نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (spx)را مطرح می کنیم. همچنین در این فصل مروری بر پیشینه ی کارهای انجام شده در هر یک از این زمینه ها خواهیم داشت.
2-2 نظام مبادلات پیمانکاری فرعی
در این بخش به ارائه مفاهیم نظام مبادلات پیمانکاری فرعی می پردازیم.
2-2–1 تعریف نظام مبادلات پیمانکاری فرعی
در پیمانکاری فرعی صنعتی یک پیمانکار اصلی، عرضه کننده های مختلف و پیمانکار های فرعی وجود دارد که شامل یک قرارداد بین طرفین پیمانکار اصلی و پیمانکار فرعی است پیمانکار اصلی یک یا چند اقدام مهم تولیدی بخش ها را به زیر مجموعه ها و یا تهیه کنندگان خدمات ضروری صنعتی برای تولید محصول نهایی واگذار می نماید . پیمانکار فرعی نیز کارها را بر اساس مشخصات تهیه شده توسط پیمانکار اصلی اجرا می نماید. بنابراین یک تقسیم کار در سیستم تولیدی در بخش صنعت و پیمانکاری های فرعی در یک یا چند فرایند تکنولوژیکی افزایش چشمگیری می یابد] 1 [.
نظام مبادلات پیمانکاری فرعی(SPX)، یکی از روش های عمده توسعه صنایع کوچک و متوسط(SMEs)به ویژه در حوزه پیمانکاری صنعتی (شرکت ها، کارگاه ها و کارخانجاتی که بنا به سفارش اقدام به تولید نموده و تولیدات خود را در اختیار کارفرمایان قرار می دهند) است که ایده ی اولیه ایجاد آن از سال 1970 در سازمان توسعه ی صنعتی ملل متحد  (یونیدو) شکل گرفت و تا سال 1985 به شکل امروزی خود درآمد. اثر بخشی این مراکز در توسعه صنایع پیمانکاری به گونه ایی بوده که تا پایان سال 2012 ، تعداد 59 مرکز مبادلات پیمانکاری فرعی(SPX) در سطح دنیا ایجاد شده است.
نکته کلیدی اینکه پیمانکاری فرعی به دو عامل توانایی تولید و تخصص بستگی دارد. زمانیکه ظرفیت تولید موجود توسط پیمانکار اصلی از عهده میزان تولید مورد نیاز ( سفارش) برنیاید و فروش (سفارش) از ظرفیت تولید داخلی بیشتر باشد، در این صورت وضعیت مطلوب ممکن نخواهد بود مگر اینکه پیمانکار اصلی به یک پیمانکار فرعی تکیه نماید. این مطلب زمانی تحقق می یابد که سفارش رسیده به پیمانکار اصلی درنوسان و عدم تعادل باشد. در مورد نکته دوم پیمانکارهای اصلی خدمتی را از پیمانکار فرعی می خواهد کسب کند که دارای تجهیزات تخصصی و یا ترکیبی از ماشین آلات و نیروی کار ماهر و یادقت خاصی باشد. همچنین پیمانکارهای فرعی نیز دارای مهارت فنی ویژه برای اقلام فرآیندهای تولیدی خاص هستند که پیمانکار اصلی ترجیح می دهد از خدمات آنها استفاده نماید. این نوع ارتباط با نوسان سفارش و یا بصورت طولانی مدت یا اساسی مشارکت نمی یابد. از نظر اطلاعات تخصصی شده خط تولید، بعضی وقتها پیمانکاری های فرعی ممکن است بعنوان یک کنترل کننده باشند. پیمانکارهای اصلی بطور کلی لازم الوجود نیستند، صنایع بزرگ، تولید صنعتی که به مقدار زیاد و به عنوان لوازم ترکیبی برای نصب نهایی در محصول مورد نیاز است را سفارش می دهند. و همه این لوازم و اجزاء به خاطر هر یک از دلایل اقتصادی یا ویژه بودن عموماً در داخل بطور ثابت تولید نمی شوند. پیمانکار های فرعی بطور کلی گرچه ضروری نیستند، صنایع کوچک و متوسط تخصصی در عملیات و فرآیند های مشخص، قابلیت تولید کالاهای با کیفیت همانند و منطبق با مشخصات پیمانکار اصلی و در عین حال با شرایط اقتصادی برتر را فراهم می نمایند. بعضی وقت ها نیز صنایع بزرگ ظرفیت قابل دسترس شان افزایش می یابد و امکان فعالیت بعنوان یک پیمانکار فرعی را نیز پیدا می کنند. آنها همچنین ممکن است دارای موقعیتی باشند که صنایع کوچک و متوسط به خدمات اقتصادی آنها برای تولید قطعات و اجزاء تکمیل کننده سفارش های بزرگ به آن نیازمند باشند. که در این صورت بعنوان پیمانکارهای اصلی فعالیت می نمایند. بهر حال ارتباط پیمانکاری فرعی می تواند در بخش های مختلف فعالیت تولیدی وجود داشته باشد. که در این صورت بعنوان برجسته ترین مقام در زمینه فنی مهندسی در صنایع مانند خودرو، راه آهن، علوم هوایی، لوازم الکترونیکی، وسایل الکتریکی داخلی، ظرافت تجهیزات، پلاستیک کاری، فلز کاری صنایع مانند ریخته گری، آهنگری تلقی می شود.
مهمترین ماموریت های این مرکز عبارت است از :
    شناسایی، ایجاد و توسعه بازار
تسهیل ارتباط کارفرمایان و پیمانکاران
    ارتقاء و توانمند سازی پیمانکاران
شکل زیر مدل پیمانکاری فرعی صنعتی بین صنایع کوچک و بزرگ نشان می دهد.

شکل 2-1. مدل انجام پیمانکاری فرعی صنعتی بین صنایع کوچک و بزرگ]2[
2-2-2 شرایط تاسیس یکSPX 
SPXدر مرحله اول سازمانی مستقل و غیر انتفعی متعلق به تولید کنندگان است،اما از سوی مراجع مسئول دولتی و سازمانهای حرفه ای حمایت و پشتیبانی میشود.تجربه حاکی از آن است کهSPX هایی که در وزارتخانه صنایع و سازمانهای عمومی ایجاد شده اند توسط دولت یک قطبی شده،از خاستگاه صنعتی خویش جدا افتاده و محکوم به نابودی اند.روش میزبانی SPXدر یک وزارتخانه و یا سازمان عمومی می بایستی صرفاً به عنوان یک وضعیت گذرا در حالت نوپا و قبل از آنکه به بخش خصوصی انتقال یابد تلقی شده و ترجیحاً بر مبنای خودگردانی باشد] 3[.
2-2-3 خدماتSPX ها
اطلاع رسانی: به طور مثال اطلاعرسانی فنی مرتبط با صنایع کوچک و متوسطی که توانمندی کارکردی بعنوان پیمانکاران فرعی،تامین کنندگان یا شرکای پیمانی اصلی داخلی و خارجی را دارند.
واسطه گری تبادل اطلاعات: مربوط به عرضه و یا تقاضای محصولات یا ملزومات حاصل از پیمانکاری فرعی،اطلاعات مربوط به دانش کار،حق امتیازها،تشریک مساعی فنی،فرصتها و رویه های برقراری پیمانهای مشارکتی.
خدمات تبلیغی و ترویجی: به طور مثال سازماندهی گردهمایی کسب و کار،مدیران تدارکات از گروهها صنعتی،داخلی و خارجی،سازماندهی حضور دسته جمعی در نمایشگاه صنعتی بخش های مرتبط، تهیه و توزیع اقلام تبلیغی از جمله سایتهای اینترنتی
2-2-4 مزایای پیمانکاری فرعی صنعتی
پیمانکاری فرعی صنعتی دارای مزایای زیادی برای صنایع کوچک و بزرگ است:
الف)مزایای پیمانکاری فرعی صنعتی برای صنایع کوچک:
حداکثر بهره برداری از امکانات آزمایشگاهی وسیستم کنترل موجودی در صنایع طرف قرارداد.
بهره مندی از تجربه فنی تخصصی کارشناسان طرف قرار داد و درنتیجه ارتقای توان علمی تخصصی و بهره وری واحدهای صنعتی کوچک.
استفاده از توان بالقوه تولیدی و رفع مشکل کمبود تقاضا در واحدهای تولیدی مورد نظر به لحاظ تولید انبوه، قیمت تمام شده کالا درحداقل قرار می گیرد.
توزیع درآمد بهتر و افزایش درآمد کارکنان و در نهایت اجتماع.
تولیدات به صورت تخصصی وحرفه ای شکل می گیرد وباعث دستیابی سریع تربه نوآوریها وخلاقیّت درتولید می شوند ودرنتیجه تنوّع درتولیدات افزایش می یابد.
ب ( مزایای پیمانکاری فرعی برای صنایع بزرگ:
صنایع بزرگ با کاهش هزینه های سرمایه گذاری وجلوگیری از گسترش بی رویه واحدها وبعضا باتعطیل کردن پاره ای ازبخشهای خط تولیدوسپردن کار تولیدقطعه هاوکالاهای صنعتی وحتی بخش طراحی ومونتاژ کالابه واحدهای کوچک طراحی ومهندسی ومونتاژ،نه تنها از کاهش حجم تولید واحد صنعتی خودجلوگیری می کند،بلکه برعکس حجم تولید وبهره وری را تا چند برابر افزایش می دهند.
صنایع بزرگ بابهره گیری از پیشنهادها و اندیشه خلاّق واحدهای کوچک پیمانکاری ضمن رفع مشکلات وضعفهایاحتمالی و ارتقای کیفیت کالاهای تولیدی،توانسته اند بیشترین نوآوری وتنوّع رابه تولیدات خودبدهند.
صنایع بزرگ با انجام پیمانکاری های فرعی قادر هستند قیمت تمام شده کالارا به میزان قابل توجهی کاهش دهند و برای مدت زمانی طولانی میتوانند قطعه ها و لوازم مورد نیاز خود را به گونه سفارشی تأمین کنند.
2-2-5 خدمات مورد انتظار از یک مرکز اطلاعاتی SPX
خدمات اطلاع رسانی (آگاهی) شامل اطلاعات فنی در خصوص صنایع کوچک و متوسط که مستعد کارکردن بعنوان پیمانکاری فرعی هستند و تهیه کنندگان یا شرکاء برای پیمانکاری های اصلی داخلی و خارجی، دلالی گزارشات اطلاعات عرضه و تقاضا برای دانش فنی، حق امتیاز، همکاری فنی، فرصتها و روشهای استفاده برای تنظیم موافقتنامه های مشارکتی.
خدمات فنی به سازمانهای تجاری، مدیران خرید یا فروش از گروههای صنعتی داخلی و خارجی، سازمان های گروه سهامی در نمایشگاه های صنعتی در بخش های تهیه و توزیع مواد متشکله صنایع مرتبط شان.
خدمات مشاوره ای عملیات پیمانکاری فرعی، تولید، کنترل کیفیت، گواهی استاندارد سازی، بازاریابی.
2-2-6 سازمان بزرگ مقیاس
سازمان های بزرگ مقیاس به گروهی از واحدها اطلاق می شود که برای تولید یک کالا یا انجام پروژه خاص با هم (معمولا با هدف هزینه کمتر) در ارتباط بوده، همدیگر را تکمیل می کنند و بر مبنای یک توافق یا پیمانکاری با هم فعالیت می کنند و برای مواجهه با مسئله ای واحد تخصص می یابند، و تقاضایی را با تکیه بر توانایی های خود پوشش می دهند. همکاری پایه فعالیت این سازمان ها است و دارای یک هدف تجاری یا فعالیت واحدی هستند. در سیستم های بزرگ مقیاس به دلیل گستردگی حیطه مسئله، با موجودیتها و ارتباطات بسیار زیادی مواجهه هستیم. سازمان های بزرگ مقیاس بر اساس مزیت رقابتی شرکت های رقیب تشکیل شده اند. چگونگی پشتیبانی همکاری و مشارکت درون سازمانی یک موضوع اصلی از یک سازمان بزرگ مقیاس است. چنین سیستمی کارکردهای بیشتری نسبت به مجموع کارکردهای سیستم های عضو در آن ارائه می‌کند.
2-3 تعریف معماری سرویس گرا
تعاریف بسیاری برای معماری سرویس گرا وجود دارد، اما یک تعریف رسمی واحد برای آن موجود نیست. به همین دلیل بسیاری از سازمان ها که سعی در استفاده و بهره برداری از این مفهوم را دارند، برای تعریف آن حرکتی کرده اند. در تعاریف متعددی که از معماری سرویس گرا ارائه شده است، عمدتا از دو دیدگاه فنی و غیر فنی این واژه تعریف شده است. از جمله تعاریفی که به رویکرد غیر فنی معماری سرویس گرا اشاره دارند می توان به موارد زیر را نام برد :
معماری سرویس گرا یک محصول نیست بلکه پلی است بین کسب و کار و فناوری به کمک مجموعه ای از سرویس ها متکی بر فناوری که دارای قوانین، استانداردها و اصول طراحی مشخص هستند]6 1[.
چارچوبی برای یکپارچه سازی فرایندهای کسب و کار و پشتیبانی آن ها توسط فناوری اطلاعات با کمک مولفه های استاندارد و امن تحت عنوان سرویس که قابلیت استفاده مجدد و الحاق به یکدیگر جهت پوشش تغییرات حرفه را دارا می باشند] 17 [.
SOAیک رهیافت است، یک شیوه ی فکر کردن یک سیستم ارزشی است که منجر به تصمیمات به هم پیوسته کامل در زمان طراحی یک معماری نرم افزار به هم پیوسته می شود]18 [.
معماری سرویس گرا پیکره ی فرایند های استاندارد طراحی و مهندسی، ابزارها و بهترین تجاربی است که با استفاده از سرویس ها و بهره گیری از خاصیت پیمانه ای بودن و قابلیت ترکیب آن ها، زمینه ی تحقیق اهداف کسب و کار را فراهم می آورد] 19[.
سبکی از معماری که از اتصال سست سرویس ها جهت انعطاف پذیری و تعامل پذیری کسب و کار، و به صورت مستقل از فناوری پشتیبانی می کند و از ترکیب مجموعه سرویس ها مبتنی بر کسب و کار تشکیل شده که این سرویس ها انعطاف پذیری و پیکربندی پویا را برای فرایندها محقق می کنند]20 [ .
روشی برای طراحی و پیاده سازی نرم افزارهای گسترده سازمانی به وسیله ی ارتباط بین سرویس هایی که دارای خواص اتصال سست، دانه درشتی و قابل استفاده مجدد هستند]21 [ .
معماری سرویس گرا سبکی از توسعه و یکپارچه سازی نرم افزار است. که با شکستن یک برنامه ی کاربردی به سرویس هایی که می توانند هم در داخل و هم در خارج از سازمان مورد استفاده قرار بگیرند، سر و کار دارد ]24 [ .
با وجود تفاوت دیدگاه ها در تعاریف فوق، همه ی آنها بر این اصل توافق دارند که معماری سرویس گرا باعث افزایش انعطاف پذیری سازمان ها می شود. همچنین بر اساس تعاریف ارائه شده می توان استنباط کرد که معماری سرویس گرا قابلیت تاثیر گذاری در همه ی سطوح فناوری اطلاعات از بالاترین سطح معماری سازمانی تا پیاده سازی سرویس ها دارد.
2-4 تعریف سرویس
از آن جا که مفهوم سرویس در صنعت IT به روش های بسیار مختلفی به کار برده شده است، لازم است آن را به دقت تعریف کنیم. با این وجود، قبل از ارائه یک تعریف رسمی و مبتنی بر تکنولوژی، به تعریف کلی تر خواهیم پرداخت تا درک بهتری از سرویس ایجاد شود. ضمنا برای سادگی و یکنواختی برای مفهوم متقاضی سرویس، مصرف کننده ی سرویس، مشتری یا مصرف کننده ی سرویس، عبارت سرویس گیرنده، و برای مفهوم ارائه دهنده ی سرویس یا فراهم کننده ی سرویس از عبارت سرویس دهنده استفاده خواهیم کرد.
آن چه در این مبحث از سرویس مورد نظر است، معنای خود را به نحوی از این تعاریف می گیرد. و به معنی فعالیت با معنایی است که یک سرویس دهنده (احتمالا بر اساس درخواست یک سرویس گیرنده)، انجام می دهد. سرویس دهنده و سرویس گیرنده ممکن است افرادی در یک سازمان یا قطعه برنامه های نرم افزاری باشند و سرویس ممکن است دستی یا مکانیزه، نرم افزاری یا غیر آن باشد.
در اصطلاح فنی و نرم افزاری می توان گفت به طور کلی سرویس، یک پیمانه ی قابل دسترس از راه دور و مستقل است. برنامه های کاربردی این سرویس ها را در دسترس کاربران قرار می دهند. با این تفاسیر مشاهده می کنیم که مفهوم سرویس در هر دو حوزه ی کسب و کار و فناوری مطرح است و کاربرد دارد. تعاریف متعددی برای مفهوم سرویس ارائه شده است از جمله :
" سرویس، کاری است که توسط یک سرویس دهنده ارائه و انجام می شود و ممکن است انجام یک درخواست کوچک مانند دریافت یا ذخیره ی اطلاعات، و یا مربوط به انجام کاری پیچیده تر مانند چاپ یک تصویر باشد" ]28 [.
" از دیدگاه کاری سرویس ها دارایی های ITهستند که به فعالیت های کاری یا عملکردهای کاری قابل بازشناسی در دنیای واقعی مرتبط بوده، و می توانند با توجه به خط مشی های سرویس مورد دسترسی قرار بگیرند. از دیدگاه فنی سرویس ها، دارایی های دانه درشت و قابل استفاده ی مجدد ITهستند که دارای واسط های خوش تعریفی (قراردادهای سرویس) هستند که واسط های قابل دسترس از خارج سرویس را، از پیاده سازی فنی سرویس مجزا می کنند" ]24 [ .
" سرویس تحقق کاری یک عملکرد مستقل است. از دیدگاه فنی، سرویس توصیفی است از یک یا چند عملیات که از (چندین) پیام برای تبادل داده ها میان یک سرویس دهنده و یک سرویس گیرنده استفاده می کند. اثر فراخوانی سرویس آن است که سرویس گیرنده اطلاعاتی به دست می آورد، یا حالت مولفه یا سرویس دهنده را تغییر می دهد" ]26 [ .
" سرویس یکمولفه از یک برنامه کاربردی است که روی سکویی که از طریق شبکه قابل دسترس است مستقر شده، و توسط یک سرویس دهنده ارائه می شود. واسط های سرویس جهت فراخوانده شدن توسط سرویس گیرنده یا تعامل با آن، با استفاده از یک توصیف سرویس، توصیف می شوند" ]26 [ .
بر اساس این تعاریف گزاره های زیر در مورد سرویس برقرار است:
یک عملکرد یا وظیفه مندی را ارائه می کند که ممکن است کاری یا فنی باشد.
قابل استفاده ی مجدد، و از سایر سرویس ها مستقل است.
دارای توصیف، واسط یا قرار داد خوش تعریف است، و جزئیات آن از دید سرویس گیرندگان مخفی است.
دارای یک یا چند عملیات است، و ارتباط سرویس ها توسط تبادل پیام میان این عملیات صورت می گیرد.
2- 5 سرویس های وب
معمولا واژه های معماری سرویس گرا و سرویس های وب اشتباها به جای هم، و به صورت معادل استفاده می شوند. لذا لازم است این دو مفهوم، به صورت دقیق تر بررسی شوند. سرویس های وب را باید عینیت بخش معماری سرویس گرا دانست] 6[.
تعریف W3C از سرویس های وب عبارت است از : یک سرویس وب، نوعی سیستم نرم افزاری است که جهت تعامل ماشین با ماشین در سطح شبکه طراحی شده است، و دارای یک توصیف قابل پردازش توسط ماشین با نام، WSDL است. دیگر سیستم ها بر طبق این توصیف از قبل مهیا شده با سرویس دهنده تعامل خواهند داشت، پیام ها توسط پروتکلSOAP و یا سایر پروتکل های مربوطه منتقل می شوند] 22 [.
از جمله ویژگی هایی که برای سرویس های وب مطرح هستند عبارتند از :
نرم افزارهای کاربردی که تحت وب منتشر شده، شناسایی و مورد فراخوانی قرار می گیرند.
مستقل از سکو و زبان هستند.
نوعی از پیاده سازی معماری سرویس گرا می باشند.
با منطق حرفه در تماس هستند، ولی هیچ شخصی مستقیم با آن ها ارتباط ندارد.
یک رهیافت کلیدی برای عینیت بخشیدن به معماری سرویس گرا هستند.
سرویس های وب دارای شرایطی از قبیل : دسترسی در سطح وب، استفاده از استانداردXMLجهت تبادل اطلاعات، عدم وابستگی به هیچ سکو و سیستم عاملی، تعامل با سرویس های تحت وب و با قابلیت شناسایی و خود توصیفی می باشند. این ویژگی ها در مقابل خصوصیاتی از قبیل استفاده از استاندارد HTML برای تبادل اطلاعات، وابستگی به سکو و فناوری و استفاده توسط اشخاص یا مرورگر وب که برای نرم افزارهای تحت وب می باشند از سرویس های وب متمایز می شوند] 6 [.
2-6 مفاهیم مهم سرویس گرایی
در این بخش به ارائه مفاهیم مهم درارتباط باساختارسرویس وکلیات مطالب مربوط به آن می پردازیم.
2-6-1چگونه سرویسها منطق را محصور میکنند
برای حفظ استقلال، سرویس ها منطق متن خاصی را محصور می کنند. آنچه در سرویس محصور می شود ممکن است کوچک یابزرگ باشد .بنابراین اندازه وحوزه منطقی که توسط سرویس محصورمی شود میتواند متنوع باشد. برای مثال آنچه توسط راه حل هایاتوماسیون ارائه میشود، معمولاًپیاده سازی یک فرآیند عمده کاری است.این فرآیندازمنطقی تشکیل شده است که بارعایت ترتیب وتوالی یا توازی خاص عمل موردنظررا انجام می دهد. این منطق به مجموعه ای از مراحل شکسته می شودکه باتوجه به قواعد،باترتیب ازپیش تعریف شده ای اجرا می شوند. همانطورکه درشکل2-5مشاهده میشود درساختن راه حل متشکل ازسرویسها، هرسرویس میتواند وظیفه ای را که درهرمرحله اجرا می شودیایک زیرفرآیندرا محصور کند. سرویس حتی میتواندکل فرآیندی راکه توسط سرویسهای دیگر محصورشده است، محصورکند.

شکل 2-2. محصورسازی اندازه های مختلفی ازمنطق توسط سرویس] 23[
2-6-2 چگونه سرویس ها از وجود یکدیگر مطلع میشوند.
درSOA، سرویس ها می توانند توسط سرویس های دیگر، یابرنامه های دیگر مورد استفاده قرارگیرند .حال، استفاده کننده ازسرویس هرکه باشد،ارتباط میان سرویسهادرصورتی روی خواهددادکه سرویسها از وجودیکدیگرمطلع باشند. این امر با بهره گیری ازتوصیف سرویس ممکن است.
توصیف سرویس درپایه ای ترین حالت خود، نام سرویس و داده هایی راکه درحین ارتباط مورد نیازند یا بدست می آیند مشخص میکند. روشی که درآن سرویسها از توصیف سرویس استفاده میکنند، موجب می شود که ارتباط درطبقه اتصال سست قرارگیرد. برای تعامل سرویسها و معنی دار بودن آن، آنهاباید اطلاعاتی را مبادله کنند.بنابراین یک چارچوب ارتباطاتی که دارای قابلیت ایجاد ارتباط دارای اتصال سست باشد موردنیازاست. یک چارچوب برای این منظور، پیام رسانی است.
2-6-3 چگونه سرویس ها با هم ارتباط برقرار می کنند.
پس ازآنکه سرویسی پیامی را میفرستد، دیگرکنترل آن رادراختیار ندارد. به همین دلیل است که سرویس هابه پیام ها نیاز دارند تا بعنوان واحد مستقل ارتباطی باقی بمانند. این به معنای آن است که پیام ها نیز مانند سرویس ها باید خود مختار باشند. به همین دلیل میزانی از هوشمندی را دارا هستند تا بتوانند در بخشهای مختلف پردازش خود را مدیریت کنند.
2-6-4چگونه سرویس ها طراحی می شوند.
اصول سرویس گرایی مسائل مرتبط بامواردزیرراتحت پوشش قرارمی دهد(این اصول درادامه معرفی خواهند شد).
الف- چگونه سرویس هاطراحی میشوند؟
ب- ارتباط بین سرویسهاچگونه بایدتعریف شود؟ (شامل تعیین چگونگی تبادل پیامها یاهمان الگوی تبادل پیام MEP)
پ- چگونه باید پیامهاراطراحی کرد؟
ت–چگونه توصیف سرویس ها طراحی می شوند؟
2-6-5 توصیفات سرویسها
هرسرویسی که می خواهد نقش دریافت کننده پیام را داشته باشد باید توصیف سرویس را به همراه داشته باشد. هرتوصیف پیام نقطه اتصالی ازفراهم کننده سرویس رادراختیارقرارمی دهد و دارای تعریفی رسمی از واسط این نقطه اتصال است (تا درخواست کنندگان بتوانند ازساختار پیامی که می بایست برای دریافت خدمات به سرویس دهنده ارسال کنند،آگاه شوند) وهمچنین محل سرویس را (که برای استفاده کنندگان شفاف خواهد بود) معین می کنند.
2-7 ویژگی های معماری سرویس گرا
از آنجایی که تعریف رسمی واحدی برای معماری سرویس گرا وجود ندارد، هیچ مجموعه رسمی واحدی از اصول طراحی بر مبنای سرویس گرایی وجود ندارد. با این حال، مجموعه ای از اصول طراحی در سطح سرویس توسط افرادی نظیر Erl و Mcgovern معرفی شده اند که بر سرویس گرایی انطباق مناسبی دارند و عبارتند از] 29[ :
سرویس ها معمولا یک دامنه یا وظیفه کاری را نمایش می دهند.
سرویس ها دارای طراحی ماژولار (پیمانه ای) هستند.
سرویس ها دارای وابستگی ضعیف اند.
سرویس ها قابل کشف اند.
محل سرویس ها برای سرویس گیرندگان شفاف است.
سرویس ها مست
سرویس ها دارای استقلال داخلی اند.
قل از روش انتقال هستند.
سرویس ها مستقل از پلت فرم هستند.
سرویس ها قابل استفاده ی مجدد هستند.
سرویس ها قابل ترکیب اند.
در معماری سرویس گرا منظور از اتصال سست، قابلیت تعامل بین سرویس ها به صورت مستقل از کد نویسی و مکان سرویس هاست. به گونه ای که سرویس ها در زمان اجرا می توانند تغییر مکان داده و روال های داخلی خود را تغییر دهند. سرویس ها ماژول هایی از کسب و کار هستند که می توانند توسط پیام هایی درخواست شوند و در نرم افزارهای مختلف مورد استفاده قرار بگیرند. یک نمونه از سرویس می تواند انجام یک درخواست روی داده مانند دریافت یا ذخیره ی اطلاعات باشد. سرویس ها در یک زبان استاندارد توصیف می شوند و فعالیت ها و فرایندهای کسب و کار را پشتیبانی می کنند. سرویس هایی که از استانداردهایی مثل یو دی دی آی، دبلیو اس دی ال، سواپ استفاده می کنند، عمومی ترین نوع سرویس هایی هستند که امروزه در دسترس می باشند. این سرویس ها به راحتی می توانند ترکیب شوند تا مجموعه ای از فرآیندهای کسب و کار مستقل را شکل دهند. ویژگی مستقل از سکو بودن معماری سرویس گرا این امکان را فراهم کرده است تا هر کاربر، از هر سیستمی و یا هر نوع سیستم عامل و زبان برنامه نویسی می تواند به سرویس ها دسترسی پیدا کند] 29 [.
سازمان های مختلف در بخش های گوناگون، معماری سرویس گرا را به دلیل قابلیت آن در بهبود فرآیندهای کسب و کار سریع، و انعطاف پذیری را ایجاد کنند.
به طور کلی برخی از مزایای به کارگیری معماری سرویس گرا عبارتند از:
یکپارچه سازی برنامه های موجود
بهبود یکپارچه سازی داده ها
سرعت بخشیدن به توسعه ی برنامه های کاربردی سفارشی
سهولت برون سپاری جهانی
تسریع در انجام فرآیندهای سیستم اطلاعاتی و ...]30[.
2-8 تعریف گذرگاه سرویس
تعاریف متفاوتی در منابع گوناگون برای گذرگاه سرویس سازمانی ارائه گردیده است که تعدادی از آنها به شرح زیر می باشد:
ESB به عنوان یک لایه هوشمند، توزیع شده، تعاملی و پیام رسان برای اتصال برنامه های کاربردی و سرویس هایی که معمولا به صورت توزیع شده از طریق زیرساخت های ارتباطی سازمان ها با هم ارتباط دارند، عمل می کند]31[.
مجموعه ای از استاندارها جهت ارائه یک زیرساخت عملیاتی و قدرتمند برای پشتیبانی عملیات یکپارچه سازی برنامه های کاربردی توزیع شده]32[.
ESB به عنوان یک معماری است که از ترکیب وب سرویس، پیام رسانی میان افزار، مسیریابی هوشمند و تبدیل اطلاعات بدست می آید]33[.
ESB به عنوان متصدی و مسئول مسیریابی، تبدیل و کنترل ارتباطات بین ارائه کننده و مصرف کننده خدمات می باشد]34 [.
ESB یک الگوی معماری و یک کلید مهم واساسی در اجرای زیرساخت های معماری سرویس گرا می باشد، در واقع ESBشرایطی برای تعامل بین سرویس های ناهمگن و رابط های کاربری که دارای عدم تطابق هستند فراهم می نماید]35[.
ESB یک سیستم مبتنی بر استانداردهای توزیع شده پیام رسانی همزمان و یا غیرهمزمان توسط میان افزارها می باشد که قابلیت همکاری و تعامل امن بین برنامه کاربردی سازمان ها را با استفاده از XML، وب سرویس، رابط های کاربری و مسیریابی مبتنی بر قوانی فراهم نموده و به یکپارچه سازی سرویس ها در میان چندین برنامه کاربردی در داخل و خارج سازمان کمک می کند. این امر از طریق ایجاد گذرگاهی استاندارد و ارائه تطبیق دهنده هایی برای تبادل اطلاعات بین برنامه ها صورت می گیرد.

شکل 2-3. ارتباط بین برنامه های کاربردی مختلف در ] ESB 36[
2-8-1 مسیریابی و مقیاس پذیری
از ویژگی های مهم استفاده از ESB حل مشکل توسعه سیستم در روش ارتباط نقطه به نقطه است. همان گونه در بخش هایی فبلی هم مطرح گردید جهت برقراری ارتباط به صورت نقطه به نقطه برای N برنامه کاربردی نیاز به N(N-1)/2 ارتباط می باشد که این روش در سازمان های نسبتا بزرگ و بزرگ اصلا مناسب نبوده و قابل اجرا نمی باشد. نکته مهم در برقراری ارتباطات بین برنامه های کاربردی کاربردی در روش ESB این است که برای ارتباط از یک گرگاه مشترک استفاده می گردد و برنامه ها به صورت مستقیم با هم ارتباط ندارند. در واقع تعداد ارتباطات مورد نیاز برای برقراری تعامل بین برنامه برای N برنامه برابر با تعداد آنها، یعنی N می باشد که نسبت به روش نقطه به نقطه بسیار ساده تر و بهینه تر می باشد.

شکل 2-4. ارتباط غیر مستقیم بین برنامه های کاربردی با استفاده از قابلیت مسیریابی پیام در ] ESB 37 [
برای ارتباط غیر مستقیم بین برنامه های کاربردی از طریق یک گرگاه مشترک در ESB علاوه بر کاهش تعداد ارتباطات موردنیاز برای تعامل برنامه ها مزایای دیگری نیز دارد که از جمله می توان به مواردی از قبیل نگهداری و بروزرسانی ساده تر سیستم یکپارچه و همچنین افزایش چابکی در پیاده سازی ساختار یکپارچه سازی برنامه های کاربردی سازمان اشاره نمود.
2-8-2 تبدیل پروتکل انتقال
عدم تطابق پروتکل های ارتباطی در برنامه های کاربردی سازمان، یکی دیگر از مشکلات موجود در یکپارچه سازی برنامه های کاربردی در سازمان ها می باشد و دلیل آن توسعه برنامه ها در سازمان ها و عدم استفاده از پروتکل های یکسان در پیاده سازی آن ها می باشد به نحوی که ممکن است در برخی موارد عدم تطبیق پروتکل های ارتباطی در نرم افزار ارائه دهنده سرویس و نرم افزار مصرف کننده سرویس رخ دهد. استفاده از پروتکل یکسان توسط کلیه برنامه های کاربردی سازمان در عمل دارای محدودیت های فراوان بوده و غیر قابل اجرا می باشد.

شکل 2-5. برقراری ارتباط بین برنامه های کاربردی با پروتکل های انتقال مختلف با استفاده از پیاده سازی گرگاه سرویس سازمان ] ESB 37 [
2-8-3 تبدیل پیام
موارد دیگری که در پیاده سازی ESB مدنظر قرار گرفته و برای آن راه حل ارائه گردیده است، تبدیل پیام ها و حل مشکل عدم تطبیق فرمت پیام ها و داده ها می باشد. یکی از مشکلاتی که در یکپارچه سازی برنامه های کاربردی در سازمان ها وجود دارد این است که فرمت داده ها و پیام ها در مصرف کننده سرویس و فرمت مورد نیاز برای تامین کننده سرویس با یکدیگر تفاوت دارد و در نتیجه این امر مانع برقراری یا ارتباط و تبادل داده ها بین برنامه ها می گردد.
بنابراین یکی دیگر از کارکردهای اصلی که باید توسط ESB ارائه گردد، تبدیل پیام ها و یا داده ها می باشد. هنگامی که این قابلیت با دو قابلیت اصلی دیگر یعنی مسیریابی و تبدیل پروتکل های ارتباطی ترکیب شود، در نتیجه برنامه های کاربردی می توانند به راحتی و بدون نیاز به تطابق پروتکل ها و فرمت پیام ها و داده ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

شکل 2-6. با استفاده از ESB برنامه های کاربردی می توانند حتی زمانی که فرمت پیام ها و پروتکل های ارتباطی متفاوت دارند، با یکدیگر تعامل داشته باشند] 37 [
2-8-4 ویژگی ها و مزایای گذرگاه سرویس
با توجه به مطالب مطرح شده در قسمت قبلی، ESBویژگی های کلیدی ذیل را ارائه می دهد ] 37 [:
مسیریابی مبتنی بر محتوا و متن
تبدیل پروتکل های انتقال
تبدیل پیام ها و داده ها
سرویس و امکاناتی که با استفاده ازESBفراهم می گیرد فراتر از برقراری اتصال و تعامل بین برنامه های کاربردی می باشد و با استفاده ازESBسرویس های ارزش افزوده ای نیز حاصل می گردد که تعدادی از آن ها در ادامه بیان می گردد] 38[:
فراهم کردن امکان اتصال
مسیریابی هوشمند
تامین امنیت و قابلیت اطمینان تعامل
مدیریت سرویس
نظارت و ثبت رخدادها
2-8-5 اجزای گذرگاه سرویس
به منظور اجرای ویژگی ها و وظایف مطرح شده برای ESBتعدادی از مولفه ها و اجزا در ساختار تشکیل دهنده آن مورد نیاز می باشد که ضمن نمایش آن ها در شکل شماره 3-19 تعدادی از آن ها در ادامه بیان می گردد] 39 [:
سازگارکننده ها: از اجزای اصلی ESBهستند وشرایطی را فراهم می آورند تا ESBبتواند با ورودی/ خروجی متفاوت تعامل داشته باشد.به ازای هر مصرف کننده و یا ارائه دهنده سرویس، یک سازگارکننده خاص وجود دارد که تنها ترکیب خاصی از پروتکل های و فرمت های پیام را تشخیص می دهد.به عنوان مثال می توان سازگارکننده ای را نام برد که کلیه درخواست های ورودی بر مبنای SOAP را روی HTTP ارائه می دهد.
توزیع کننده: به عنوان یک نقطه ورود مرکزی عمل می کند و وظیفه آن دریافت اطلاعات از سازگار کننده ها و ارسال به قسمت مربوطه برای مسیریابی، تبدیل، غنی سازی، و غیره می باشد. توزیع کننده درخواست ها را به سمت اداره کننده درخواست ها ارسال می کند و همراه با آن قابلیت مسیریابی مبتنی بر محتوا را در ESB فراهم می نمایند.

شکل 2-7. اجزای منطقی تشکیل دهنده ] ESB 39 [
اداره کننده درخواست ها: هر سرویس اداره کننده درخواست مخصوص به خود دارد و وظیفه آن انتقال پارامترهای خاص مربوط به سرویس به موتور مسیریابی برای اجرای مناسب سرویس می باشد.
موتور قوانین و مسیریابی: وظیفه این مولفه، اجرای تبدیل و غنی سازی وظایف و مسیریابی آنها برای تحویل به نمایندگان سرویس خاص می باشد.
نماینده های سرویس: به عنوان نقطه انتهایی برای دسترسی به سرویس خاص هستند و با استفاده از سازگارکننده ها با ارائه دهندگان سرویس ارتباط برقرار می کنند.
موتور تبدیل: این جزء ازESB کلیه پیام ها و یا داده های ورودی را به فرمت مناسب برای ارائه کننده سرویس تبدیل می کند.
اجزاء غنی سازی : این مولفه به ESB اجازه می دهد تا محتویات پیام را مطابق با نیاز ارائه دهنده سرویس و از طریق یک منبع خارجی (مانند: پایگاه داده) تقویت نماید.
اجزاءثبت عملیات: این جزء ازESB، پشتیبانی از ثبت عملیات مورد نیاز برای سایر بخش ها را فراهم می نماید.
اجزاء مدیریت استثناءها: وظیفه این بخشازESB مدیریت استثنائات تولید شده توسط سایر بخش ها و اجزاء می باشد.
2-9 انگیزه ی حرکت سیستم های تولید ی به سمت معماری سرویس گرا
درسیستم های تولیدی فعالیتهای گوناگونی انجام می شود، پیشرفت‌های اخیر در زمینه تولید و تکنولوژی اطلاعات، جایگزین‌های استراتژیکی را برای طراحی سیستم‌های اطلاعاتی محیط‌های تولیدی مهیا و معرفی کرده است. بیشتر شرکت‌ها، استفاده استراتژیک از سیستم‌های اطلاعاتی را به منظور فراهم‌سازی مزیت رقابتی بالا، شروع کرده‌اند. آنها، عملیات تولید و استراتژی کسب و کار خود را با استفاده از سیستم‌های اطلاعاتی، یکپارچه ساخته و توانسته‌اند توازنی مطلوب بین یکنواختی و قابلیت انطعاف در تولید را با استفاده از توسعه مفاهیم سیستم‌های یکپارچه (در مقابل روش‌های معمول تولید) برقرار سازند.
به همین دلیل سازمان ها امروزه به سمت معماری سرویس گرا روی آورده اند که رویکردی برای سرعت بخشیدن در انجام فرآیندهای سیستم اطلاعاتی می باشد.
در واقع انگیزه اصلی سیستم spx به سمت معماری سرویس گرا، بهبود انعطاف پذیری و کارایی این سیستم ها در تغییرات نیازمندی ها است. یکی از علل شکست سیستم های تولیدی، ضعف آن در تطبیق و یکپارچگی با سیستم های درونی و بیرونی است. این سرویس ها می توانند به راحتی پیکربندی شده، و بدین ترتیب مطابق با خواسته های سازمان عمل کند.
همچنین مبنی بر استانداردهای باز، سرویس ها این امکان را می دهند که هر بخش از نرم افزار ها از طریق انتقال پیام با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. معماری سرویس گرا این کار را نیز آسان تر کرده است. از دیگر مزایای معماری سرویس گرا می توان به این نکته اشاره کرد که هزینه تغییرات تا حد بسیار زیادی کاهش پیدا می کند، چرا که نیاز به تغییر کل سیستم نبوده، و سرویسی که مورد نیاز می توان اضافه کرده و یا آن را تغییر داد. سرویس ها از طریق کانال های متنوع و به کمک فناوری های مختلفی لرائه می شوند و باید به نحوی باشند که بتوانند با تغییر فناوری ها همچنان قابل استفاده باشند. با استفادع از رهیافت معماری سرویس گرا مشکلاتی که برای نگهداری و بروز کردن برنامه های کاربردی قدیمی وجود داشت، تا حد زیادی برطرف شده اند.
راه حل معماری سرویس گرا برای واحدهای مختلف سازمان، استفاده از وب سرویس های استاندارد است. تاکنون بحث های زیادی پیرامون موضوع معماری سرویس گرا و اینکه سرویس ها در این معماری فرآیندهای کسب و کار سریع و انعطاف پذیر را ایجاد می کنند، شده است.
توصیه کرده است که توسعه ی برنامه های کاربردی سرویس گرا در مقایسه با متدهای توسعه ی قدیمی، هزینه ی فناوری اطلاعات سازمان را در حدود 20 در صد کاهش داده است] 30[.
2-10 تعریف برون سپاری
برون سپاری دارای تاریخچه ای طولانی است. وجود ضرب المثل هایی نظیر "کار را به کاردان بسپارید" و یا آیاتی از قرآن مجید مبنی بر گرفتن دایه برای فرزندان مصداقی از برون سپاری است]10[. در دنیای کنونی سرعت تغییر دانش و اطلاعات به قدری است که سازمانهای بزرگ به سرعت از گردونه رقابت خارج میشوند و این امر باعث چاره اندیشی شرکت های بزرگ شده است. یکی از راههای نجات این شرکتها برون سپاری فعالیتها و کوچک سازی سازمانها است تا جایی که بتوانند به سرعت تغییر کنند]10[.
تعاریف متفاوتی برای برون سپاری ذکر شده که می توان به موارد زیر اشاره کرد:
واگذاری تمام یا بخشی از مسئولیت یکی از واحدهای سازمان به یک عرضه کننده بیرون از سازمان
خریدن بخشی از منابع یا امکانات یک شرکت یا سازمان
نوعی مقاطعه کاری که در همه ی زمینه ها قابل استفاده باشد
ارایه خدمات و ابزار برای یک سازمان
تصمیم اتخاذ شده توسط یک سازمان جهت ارایه و یا فروش داراییها نیروی انسانی و خدمات به شخص ثالث، که طرف قرارداد متعهد میگردد در قبال درآمد مشخص و در یک زمان معین، دارایی ها و خدمات قید شده در قرارداد را ارایه و مدیریت نماید.
(Ferry D. Kraker) برون سپاری عبارتست از پیدا کردن ارائه دهندگان خدمت جدید و روشهای جدیدی که بتوان با اطمینان تهیه مواد، کالاها، اجزاء و خدمات را به آنها واگذار نمود.
در حقیقت در واگذاری یا برون سپاری، سازمان از دانش و تجربه و خلاقیت ارائه دهندگان خدمت جدیدی که قبلاً استفاده نکرده است، بهره مند می شود.
2-10-1 عوامل تاثیر گذار بر برون سپاری
عوامل مختلفی در امر برون سپاری فعالیتهای سازمانی دخیل هستند و محققین مختلف عوامل گوناگونی را مطرح نموده اند. در مطالعه ای که توسط یانگ صورت گرفت، پنج عامل استراتژی، کیفیت، مدیریت، اقتصاد و فناوری بعنوان عوامل تأثیرگذار در موفقیت برون سپاری معرفی شده اند
]44[.در مطالعه دیگری شش دلیل عمده برای استفاده از استراتژی برونسپاری توسط سازمانهای مختلف بیان شده که عبارتند از: صرفه - جوییهای مالی، تمرکز راهبردی، دسترسی به تکنولوژیهای پیشرفته، ارائه خدمات پیشرفته، دستیابی به مهارتها و تخصصهای جدید و خط مشیهای سازمانی ]45[.در مطالعه دیگری تمایل به کاهش هزینه ها و افزایش کارایی، تمرکز بر قابلیتهای کلیدی سازمان، شناخت و معرفی نیروی کاری منعطف، بهبود مدیریت روابط صنعتی، ارضای اهداف شخصی تصمیم گیرندگان و تابعیت از قوانین حکومتی به عنوان دلایل عمده برونسپاری نام برده شده اند] 46 [. آرنولد در مطالعه ای که بر روی عوامل تأثیرگذار بر برونسپاری انجام داده است، سه عامل صرفه جویی در هزینه ها، تمرکز بر قابلیتهای کلیدی و انعطاف پذیری در برابر تغییرات محیطی را به عنوان عوامل موثر در استراتژی برونسپاری معرفی می نماید]30[. از مهمترین دلایل برونسپاری میتوان به کاهش کنترل مدیریت، بهبود کیفیت خدمات، تمرکز بر قابلیتهای کلیدی، دستیابی به تکنولوژیهای جدید، کاهش هزینه های سربار، افزایش خبرگی در داخل سازمان، کاهش هزینه های داد و ستد، کاهش هزینه های تولید، سرمایه گذاری در فناوری، افزایش ظرفیت و بهبود موقعیت در زنجیره تأمین وافزایش ظرفیت تغییر در سازمان اشاره نمود] 47[. بطور خلاصه محرک های برون سپاری را میتوان در قالب جدول 2- 1 مشاهده نمود.
جدول 2- 1 محرکهای چندگانه برون سپاری ]50[
محرکهای برون سپاری پیامدها و نتایج محرکهای برون سپاری تحقیقات صورت گرفته
محرکهای اقتصادی 1-کاهش هزینه و صرفه جویی سودآوری بیشتر بهبود اثربخشی عملیات Trunick (2010),
Richardson (2012),
Gonzalez et al. (2013)
2-کاهش نیاز به سرمایه گذاری تمرکز بیشتر سرمایه ها بر روی بخشهای کلیدی بهبود نرخ بازگشت دارائی Corbett (2008),
Razzaque and Sheng (2011), Trunick (2012)
Lynch (2013),
Embleton and Wright (2008),
Claver et al. (2011)
محرکهای استراتژیک -1 برنامه ریزی استراتژیک برای تمرکز بر نقاط کلیدی کسب مزیت رقابتی بهبود عملکرد،
رضایت ارباب رجوع/ مشتریان،
ارتقاء مهارت منابع انسانی، افزایش رقابت Corbett (2009),
Embleton and Wright (2010),
lott (2013),
Prahalad and Hamel (2000),
Quinn and Hilmer (2003),
Weerakkody et al. (2012)
-2 افزایش انعطاف پذیری توان ارائه محصولات و خدمات
مختلف، افزایش توان مسئولیت پذیری، کاهش ریسک Quinn and Hilmer (2003),
Corbett (2007), Embleton and Wright (2007), Razzaque and Sheng (2007), Kakabadse and Kakabadse (2009), Jennings (2011), Lynch (2013)
محرکهای محیطی -1 توسعه IT تشویق سازمانها برای بکارگیری
سیستمهای اطلاعاتی پیشرفته به
منظور ارتقاء اثربخشی و مقرون به
صرفه بودن Lynch (2013)
-2 جهانی شدن بدست آوردن مزیت رقابتی Clott ( 2013)
-3 فشارهای جامعه ارائه محصولات و خدمات با قیمت پائین تر و کیفیت بهتر Jennings (2011)
2-10-2 دلایل عمده برون سپاری
از نقطه نظر دلایل سازمانی
افزایش اثربخشی از طریق تمرکز بر روی کاری که سازمان در انجام آن بهترین است.
افزایش انعطاف پذیری برای مقابله با شرایط کسب و کار، تقاضا برای محصولات و خدمات و تکنولوژی
تغییر سازمان
افزایش ارزش محصولات و خدمات، رضایت مشتریان و ارزش سهام
از نقطه نظر دلایل بهبود
بهبود عملکرد عملیات
بدست آوردن تخصص ها، مهارت ها و تکنولوژی هایی که قبلاً قابل دستیابی نبوده است.
بهبود مدیریت و کنترل
بهبود مدیریت ریسک
بدست آوردن ایده های نوآورانه
بهبود اعتبار و تصویر سازمان به وسیله مشارکت با ارائه دهندگان خدمت برتر
از نقطه نظر دلایل مالی
ایجاد نقدینگی از طریق انتقال داراییها به ارائه دهندگان خدمت
کاهش سرمایه گذاری روی دارائیها و آزادسازی آنها برای سایر اهداف
از نقطه نظر دلایل درآمدی
بدست آوردن سهم بازار و فرصتهای کسب و کار از طریق شبکه ارائه دهندگان
تسریع در رشد و توسعه ظرفیت، از طریق قرارگرفتن در جریان فرایندها و سیستم های ارائه دهنده
رشد فروش و ظرفیت تولید در بازه زمانی، وقتی که امکان تامین مالی چنین رشدی در سازمان وجود نداشته باشد
گسترش تجاری مهارت های موجود
از نقطه نظر دلایل هزینه ای
کاهش هزینه ها از طریق عملکرد برتر و ساختار هزینه ای پایین تر ارائه دهندگان خدمت
تغییر هزینه های ثابت به متغیر
2-10-3 معایب برون ‌سپاری
تبعات برون سپاری شامل امکان از دست رفتن کنترل بر فرایندها، مشکل در مدیریت روابط با تأمین کننده، تغییرات عرصه کسب و کار در بلند مدت، مشکل لغو قرارداد، ایجاد تعارض سازمانی در روابط با تأمین کننده، از دست رفتن مشاغل در سازمان، کاهش کیفیت و افزایش هزینه به دلیل انتخاب نامناسب تأمین کننده می‌شود.نشریه فوربس در دسامبر ۲۰۱۲ با انتشار پروژه - ریسرچمفصلی به تحلیل روند بازگشت خطوط تولید تعدادی از معتبرترین برندهای آمریکایی نظیر اپل، GE و... به آمریکا پرداخت و نتیجه گرفت که مهمترین عیب «برون سپاری» فاصله افتادن بین سازمان طراحی و سازمان تولید یک شرکت است که در نتیجه آن بازخوردهای لازم در مورد سختی و آسانی و هزینه‌های فرایند تولید محصول به موقع برای بهبود طرح به بخش طراحی نمی‌رسد.
2-10-4 تعریف برون سپاری استراتژیک
برون سپاری استراتژیک عبارتست از: یک نگاه استراتژیک به برون سپاری که بتواند فرایندهای مسئله دار، وضع بد بهره وری ، مشکلات ترک کارکنان و امثال آن را در یک نگاه بلند مدت حل کند. بر این اساس اقدام برون سپاری زمانی استراتژیک خواهد شد ، که با استراتژی های بلندمدت سازمان همراستا شود ، منافع برون سپاری بعد از گذشت چندین سال پدیدار گردد و نتایج مثبت یا منفی آن برای سازمان از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد برون سپاری استراتژیک با پرسیدن سوالات اساسی درباره رابطه برون سپاری با سازمان و موضوعات سازمانی زیر ، برون سپاری را در سطح بالاتری قرار می دهد.
چشم انداز آینده
قابلیت های کلیدی فعلی و آینده
ساختار فعلی و آینده
هزینه های فعلی و آینده
عملکرد فعلی و آینده
مزیت رقابتی فعلی و آینده
2-10-5 کارهای انجام شده در ارتباط با برون سپاری
در گذشته به دلیل هزینه های زیادی که فرایند برون‌سپاری داشته پیمانکاران توان ارائه خدمات به کسب و کارهای کوچک و متوسط را نداشتند. و همچنین کسب و کارهای کوچک و متوسط نیز تمایل به برون‌سپاری نداشتند زیرا بر این عقیده بودند که پیمانکاران نمی توانند پروژه را به طور کامل درک کنند و نمی خواستند کنترل فرایند های داخلی را به خارجی ها بدهند. کسب و کار های کوچک برای آنکه بیشتر مورد دسترس باشند به برون‌سپاری روی آورده اند. از طرف دیگر این نوع فعالیت ها به آنها اجازه می دهد تا بتوانند با توان کمتر با شرکت های بزرگتر که خدمات با کیفیتی را ارائه می دهند نیز رقابت کنند.
امروزه برونسپاری به عنوان یکی از استراتژیهای موثر در دنیای کسب و کار شناخته شده است. در این راستا برونسپاری فرایندهای کسب و کار به عنوان یکی از متداولترین اشکال برونسپاری به شمار می آید. در سالهای اخیر بسیاری از سازمانها برای حفظ مزیت رقابتی خود در بازارهای منطقهای و جهانی برونسپاری فعالیتهای سازمانی را شروع کرده و همچنین امروزه بسیاری از سازمانها اقدام به برونسپاری برخی از فعالیتهای خود به عنوان یک رویکرد راهبردی نمودهاند. فرایند برون سپاری برخی از فعالیتهای سازمان بواسطه پیچیدگی و عدم قطعیت موجود در این فرایند، نیازمند صرف زمان و دقت کافی برای جلوگیری از شکست این فرایند در سازمان است. این مسئله خود نیازمند مدیریت قوی در حوزه برونسپاری در سازمان است. در واقع برای جلوگیری از ایجاد هرگونه مشکلی در فرایند برونسپاری بایستی اقدام به تصمیمات راهبردی در این حوزه و در نتیجه انتخاب استراتژیهای مناسب سازمان در امر برونسپاری نمود. برون‌سپاری باعث کاهش هزینه های اجرایی و بالا بردن بهره وری در کسب و کار های کوچک و بالا بردن توان رقابتی آنها می شود. امروزه پیچیدگی فضای کسب و کار، افزایش رقابت میان تولید کنندگان، محدودیت منابع و بسیاری عوامل دیگر، سبب شده که سازمان های تولیدی به سمت بکارگیری فرآیندها و تصمیمات بهینه در حرکت باشند تا از این رهگذر، امکان بقای بالنده سازمان را تضمین نمایند. بدیهی است که تخصصی شدن و در نتیجه محدود کردن حیطه فعالیتها، در صورتی مقدور خواهد بود که بخشی از وظایف به خارج از سیستم برون سپاری گردد. در واقع برون سپاری عبارت است از واگذاری بخشی از فعالیتهای محوری یا غیر محوری سازمان بر مبنای تصمیمات اخذ شده، که منجر به کاهش نرخ یکپارچه سازی عمودی میشود ] 12 [ .
برخی از محققان، بیشتر در حوزه تولید و مدیریت زنجیره تأمین، برون سپاری را چیزی بیش از تکامل مطالعات در حوزه ساخت یا خرید نمی دانند.
در گذشته، برون سپاری زمانی مورد استفاده قرار می گرفت که سازمانها نمی توانستند خوب عمل کنند. در رقابت ضعیف بودند، کاهش ظرفیت داشتند، با مشکل مالی روبرو بودند و یا از نظر فن آوری عقب و شکست خورده بودند. امروزه سازمانهایی که کاملا موفق هستند نیز از این ابزار برای تجدید ساختار سازمانهایشان استفاده می کنند و مدیران این سازمانها به عنوان یک موضوع حیاتی این موضوع را درک کرده اند که ایجاد قابلیت های کلیدی برای برآورده نمودن نیازهای مشتری ضروری است و باید در این راه تلاش نمایند.
دیگر محققان، عموما در حوزه مدیریت عملیات خدمات، آن را یک روند انقلابی و جهشی که در چند سال گذشته آغاز گشته است می دانند. یکی از تئوری هایی که در اکثر منابع به آن در مورد منشأ برون سپاری اشاره می شود، تئوری هزینه مبادله می باشد و از این رو سرچشمه دانش برون سپاری به حدود هفتاد سال قبل بر می گردد.
در طول این هفتاد سال چندین تئوری در رشته های مختلف توسعه یافته اند که به طور مکرر در مطالعاتی که امروزه در مورد برون سپاری وجود دارد، به طور خلاصه به آنها اشاره می شود. 10 تئوری که از آنها بیشتر در مقالات و منابع علمی به عنوان ریشه های برون سپاری یاد می شود به شرح زیر می باشند:
1. تئوری هزینه مبادله
2. دیدگاه بر اساس منابع
3. تئوری عامل اصلی
4. تئوری ادغام عمودی
5. مدیریت استراتژیک
6. اقتصاد تکاملی
7. دیدگاه ارتباط
8. اقتصاد صنعتی
9. تئوری هم ترازی استراتژیک
10. تئوری شایستگی اصلی
عموما در تحقیقات مربوط به برون سپاری چهار پرسش متداول مد نظر قرار می گیرد که عبارتند از:
1. چرا باید برون سپاری کنیم؟
2. کدام فعالیت ها و فرآیند ها باید برون سپاری شوند؟
3. عوامل اصلی موفقیت در ارتباط با برون سپاری کدامند؟
4. چگونه باید این برون سپاری را هدایت کنیم؟
برون‌سپاری باعث کاهش هزینه های اجرایی و بالا بردن بهره وری در کسب و کار های کوچک و بالا بردن توان رقابتی آنها می شود.
با توجه به گزارش گارتنر بازار برون‌سپاری در سال 2003، در کشور آمریکا معادل 15 میلیارد دلار بوده است.
مراحل 10 گانه گارتنر جهت موفقیت در برون سپاری
جا انداختن تفکر برون‌سپاری به عنوان یک روش عملی
همراستا کردن تمام فعالیتهای مرتبط با برون‌سپاریبا راهبردهای کسب و کار
داشتن توقعات واقع بینانه از کسب سود قبل از اقدام به برون سپاری
بالا بردن ارزش خدمات منعطف در مقابل خدمات ثابت
انتخاب روشهای تحویل سازگار با اهداف تجاری و کسب وکار سازمان
تعریف محرکها و روش ارتباطی به جهت حصول سود دو جانبه
مذاکرات پی در پی جهت اتخاذ معامله برنده-برنده
ارائه راه حلهای تجاری بر مبنای شبکه تولیدکنندگان
توسعه و پیاده سازی روشهای مدیریت توزیع متمرکز
ایجاد تعادل میان نظارت و اعتماد در روابط برون سپاری
2-11 سیستم اطلاعاتی
همان طور که می دانیم همزمان با ظهور فن آوری، و حضور آن در سازمان ها، توسعه ی سیستم های اطلاعاتی نیز روز به روز افزایش یافت. دیوید و السون، یک سیستم اطلاعاتی را به عنوان یک سیستم یکپارچه به منظور ارائه ی اطلاعات برای پشتیبانی عملیات، مدیریت، و تصمیم گیری در یک سازمان تعریف کرده اند. به عبارتی دیگر می توان گفت که یک سیستم اطلاعاتی، عبارت است از یک سیستم کامل طراحی شده برای تولید، جمع آوری، سازماندهی، ذخیره و توزیع اطلاعات در یک سازمان. این اطلاعات بسته به نوع سیستم اطلاعاتی برای تصمیم گیری، کنترل، ساخت محصولات جدید و ... مورئ استفاده قرار می گیرند. داده های جمع آوری شده از سازمان یا محیط خارج از آن، به عنوان ورودی یک سیستم اطلاعاتی به شکلی با معنا پردازش شده، و خروجی به افراد یا فعالیت هایی که از آنها استفاده می کنند منتقل می شود. برخی از سیستم های اطلاعاتی عبارتند از سیستم پردازش تراکنش، سیستم اطلاعاتی مدیریت، سیستم تصمیم یار، سیستم اطلاعاتی اجرایی و ...]41[.
توسعه ی سیستم اطلاعاتی به طور عمده بر روی کارایی فرایندهای کسب و کار و به صورت غیر مستقیم، بر روی برآورده کردن نیازمندی های مورد تقاضای سازمان تمرکز می کند.
امروزه تمامی سیستم‌های تولیدی به روشنی بیانگر این نکته‌اند که مفاهیم و ساختار کار آنها، از ایده «آدام اسمیت» مبنی بر تخصصی شدن کار و شکسته شدن یک کار به کارهای کوچک‌تر، گرفته شده است. تخصصی شدن کارها، تولید انبوه محصولات استاندارد شده را امکان‌پذیر می‌سازد.
مفهوم سیستم تولید یکپارچه، تنها شامل عناصر درون سازمان نبوده و از عناصری متعدد تشکیل شده است که در یک سوی آن تامین‌کنندگان مواد و قطعات و در سوی دیگر، مشتریان قرار دارند.برای عملکرد موثر این سیستم‌ها، در طراحی آنها باید یکپارچه‌سازی بیشتر فعالیت با هم و کاهش لایه‌های سلسله مراتبی را مدنظر قرار داد. کندی جریان اطلاعات و یا ناکافی بودن آن بین واحد تولید و دیگر واحدها نظیر بازاریابی یا تحقیق و توسعه، مسئله‌ای رایج در شرکت‌های تولیدی است. برای بیشینه کردن کارایی سازمان، تمامی کارکردها به جای این‌که به تنهایی بهینه‌سازی شوند باید به صورت یکپارچه‌ با هم در تعامل باشند.
بیشتر سیستم‌های اطلاعات در محیط‌های تولیدی، برنامه‌های کاربردی تخصصی هستند که سعی دارند تکنولوژی‌های پیشرفته تولید را با استفاده از رایانه، قابل استفاده و کنترل کنند.سیستم اطلاعات جامع تولید در پی آن است که این برنامه‌های کاربری تخصصی و جزیره‌ای مهندسی، تولیدی و تجاری را در قالب یک سیستم اطلاعاتی جامع یکپارچه ترکیب کند.
در این راستا با شناخت تهدیدات و فرصت‌های محیطی، قابلیت‌ها ی این‌گونه سیستم‌ها، استراتژی طراحی و توسعه آنهاست. همچنین خواهیم دید که چگونه این سیستم‌ها به عنوان سلاحی رقابتی به‌کار گرفته می‌شوند.
2-12 کارهای انجام شده د ر ارتباط با به کارگیری سیستم اطلاعاتی در یکپارچگی واحد های مختلف تولید
سیستم اطلاعات جامع تولید، جایگزینی قدرتمند برای کسب مزیت رقابتی بوده و وضعیت جاری و تکنولوژی اطلاعات را با هم درمی‌آمیزد. این سیستم، حرکت به سوی یکپارچگی کامل تکنولوژی تولید و استراتژی کسب و کار را در یک سیستم اطلاعاتی نشان می‌دهد و شامل تمامی کارکردهایی است که یک شرکت تولیدی باید دارای آنها باشند.
نمونه این کارکردها، ماجول‌های تحلیل بازار، کنترل کیفیت، مدیریت کیفیت و پشتیبانی از تصمیم‌گیری است. سیستم اطلاعات جامع تولید، قابلیت پاسخگویی سریع به تغییرات را فراهم ساخته و انعطاف‌پذیری در تولید محصولات را تسهیل می‌بخشند.با استفاده از این سیستم‌ها، طراحی و حمایت از استراتژی‌های رقابتی در یک سازمان، قابل دستیابی بوده و می‌توان از عهده تغییرات در تکنولوژی، منابع و مسئولیت‌ها برآمد.
امروزه تمامی سیستم‌های تولیدی به روشنی بیانگر این نکته‌اند که مفاهیم و ساختار کار آنها، از ایده «آدام اسمیت» مبنی بر تخصصی شدن کار و شکسته شدن یک کار به کارهای کوچک‌تر، گرفته شده است. تخصصی شدن کارها، تولید انبوه محصولات استاندارد شده را امکان‌پذیر می‌سازد.
مفهوم سیستم تولید یکپارچه، تنها شامل عناصر درون سازمان نبوده و از عناصری متعدد تشکیل شده است که در یک سوی آن تامین‌کنندگان مواد و قطعات و در سوی دیگر، مشتریان قرار دارند.برای عملکرد موثر این سیستم‌ها، در طراحی آنها باید یکپارچه‌سازی بیشتر فعالیت با هم و کاهش لایه‌های سلسله مراتبی را مدنظر قرار داد. کندی جریان اطلاعات و یا ناکافی بودن آن بین واحد تولید و دیگر واحدها نظیر بازاریابی یا تحقیق و توسعه، مسئله‌ای رایج در شرکت‌های تولیدی است. برای بیشینه کردن کارایی سازمان، تمامی کارکردها به جای این‌که به تنهایی بهینه‌سازی شوند باید به صورت یکپارچه‌ با هم در تعامل باشند.
بیشتر سیستم‌های اطلاعات در محیط‌های تولیدی، برنامه‌های کاربردی تخصصی هستند که سعی دارند تکنولوژی ‌های پیشرفته تولید را با استفاده از رایانه، قابل استفاده و کنترل کنند.سیستم اطلاعات جامع تولید در پی آن است که این برنامه‌های کاربری تخصصی و جزیره‌ای مهندسی، تولیدی و تجاری را در قالب یک سیستم اطلاعاتی جامع یکپارچه ترکیب کند.
به کارگیری موفق یک IS مستلزم درک کامل کسب و کار و محیط تحت حمایت سیستم اطلاعات است. لازمه ی چنین موفقیتی، برخورداری مدیران از دانش و تخص صهای لازم برای حمایت از سیستم ها و نیز جریان اطلاعات در درون و بیرون سازمان برای غنی سازی سیستم ها است.
تا کنون مطالعات بسیاری در زمینه سیستم های اطلاعاتی واحد های تولید سازمان صورت گرفته است. در یکی از تحقیقات یک مجموعه ای از روش ها برای استفاده سیستم اطلاعاتی در واحد های مختلف تولید در نظر گرفته شده است که منجر به رقابت پایدار می شود. به کارگیری سیستم اطلاعاتی ممکن است یک نقش مهم در هر گام از فرایند تولید و برون سپاری بازی کند
Stevens معتقد است که میزان پیشرفت به به کارگیری IS در هر گام توسعه ای بستگی دارد. علاوه بر این، او ادعا می کند که یک رویکرد یکپارچگی واحدهای مختلف تولید، می تواند موانع موجود بین عملیات و سازمان ها را حذف کند. و به کارگیری IS می تواند ارتباط بین توابع و سازمان ها را تقویت کند.
Bowersoxبیان می کنند که فرایند یکپارچگی واحدهای مختلف تولید، باید از یکپارچگی داخلی به یکپارچگی خارجی با تامین کنندگان و مشتریان پیش برود، چنین یکپارچگی داخلی و خارجی می تواند توسط اتوماسیون پیوسته و استاندارد سازی از هر تابع لجستیک خارجی و توسط اشتراک گذاری اطلاعات کارآمد و ارتباط استراتژیک با تامین کنندگان و مشتریان تکمیل شود.
بهبود هر یک از عملیات داخلی، در یکپارچگی واحدهای مختلف تولید، باید پیش از اتصال خارجی، با تامین کنندگان و مشتریان در گام یکپارچگی خارجی و به کارگیری IS ممکن است یک فاکتور بسیار مهم باشد.
Earl اظهار می کند که IS باید بالقوه به یک سلاح استراتژیک در حداقل یکی از موارد زیر باشد:
به دست آوردن مزیت رقابتی
بهبود بهره وری و عملکرد
فعال کردن روش های جدید مدیریت و سازماندهی
توسعه کسب و کارهای جدید
این مشاهده نشان می دهد که به کارگیری IS در فعالیت های استراتژیکی و مدیریتی مهم تر از استفاده آن ها در زمینه های عملیاتی است.

–20

خانواده بزرگوارم که با تحمل مرارتها و مشقتها، بستری مناسب جهت انجام این پژوهش برایم مهیا ساختند ؛
استاد ارجمند و عالی قدر، جناب آقای دکتر مهران علی الحسابی در مقام استاد راهنما که با نکته سنجیها و راهنمائیهای عالمانه خویش بر غنای علمی این پژوهش افزودند ؛
استاد ارجمند و بزرگوارم جناب آقای دکتر کیومرث حبیبی که برایم بسی افتخار بود که در مقام استاد مشاور، در خدمت ایشان بودم ؛
در پایان بر خود لازم میدانماز همه کسانی که به شیوههای مختلف در انجام این پژوهش مرا یاری نموده کمال تشکر و امتنان را داشته باشم و اذعان نمایم که بدون بذل توجه و مساعی آنها ، یقیناً انجام این کار ، بسیار پرمشقت و طاقتفرسا میبود. امیدوارم که خداوند تمامی این سروران را در پناه خویش مصون و موفق داشته و توفیق روزافزون در تمامی زمینه ها را نصیبشان فرماید .
چکیده:
شهرهای کوچک و جایگاه آن در برنامهریزی فضایی کشورهای در حال توسعه، بخشی از استراتژیهای توسعه ی شهری را تشکیل میدهد. تجربیات جهانی در این زمینه بیانگر این واقعیت است که حل مسائل و مشکلات شهرهای بزرگ در گرو حمایت جدی از مراکز شهری کوچک است. در سطح منطقهای نیز انتشار توسعه به مراکز روستایی توسط شهرهای کوچک آشکار گردیده است. شهرهای کوچک در ایران به عنوان مکان مرکزی دارای بیشترین روابط با حوزههای روستایی هستند. به این دلیل توجه جدی به شهرهای کوچک هم در توسعه منطقه و هم در توسعه ملی اثر گذار خواهد بود.
شهر کوچک "سامان" با جمعیت (14800) نفر به عنوان بخشی از استان چهارمحال و بختیاری دارای حوزه ی نفوذ روستایی است. اما رابطه ی شهر با حوزه ی نفوذش یک رابطه سنتی است که ناشی از نبود نظم سلسله مراتبی در ارائه ی خدمات در سطح بخش می باشد . محور اساسی پژوهش حاضر با «عنوان نقش شهرهای کوچک در توسعه فضایی- کالبدی سکونتگاههای پیرامون» ( نمونه موردی شهر سامان شهرستان شهرکرد ) بر مبحث شناخت و تبیین نقش شهرهای کوچک با مصداق سامان و بکارگیری یافتهها در ارائه راهکارهای توسعه فضایی-کالبدی استوار است .
بر این اساس با توجه به موضوع پژوهش هدف اساسی ذیل مورد توجه بوده است :
تحلیل اثرات توسعه شهر سامان در نحوه ساماندهی، تقویت و دگرگونی روابط و وابستگی های فضایی با حوزه نفوذ
در این پژوهش در دو سطح کلان و خرد، نقش شهر سامان بررسی شده است. جایگاه شهر سامان در نظام شهری استان و رابطه این شهر با مناطق اطراف و شهرهای دیگر نشانگر این است که شهر سامان ارتباط ضعیفی با شهر های استان چهارمحال و بختیاری دارد . شاخص های توسعه شهری این شهر نسبت به سایر شهرهای مهم استان در سطح پایین تری قرار دارد . در سطح منطقه نیز نقش های مختلف اقتصادی ( کشاورزی، صنعتی، خدماتی و... ) شهر مطالعه شده است که حاکی از نقش بارز خدماتی آن در قبال منطقه ی تحت نفوذ شهر می باشد.
در نهایت شهر سامان با وجود حوزه نفوذ وسیع و ظرفیت های متعدد اقتصادی که دارد بدلیل عدم توجه کافی دچار عقب ماندگیهایی از نظر توسعه یافتگی می باشد. و طبیعتاًنتوانسته نقش چندانی در توسعه حوزه نفوذ خود داشته باشد . در این راستا علاوه بر نقش محلی(دورن شهری) باید به نقش منطقهای شهر نیز توجه گردد. تا شهر بتواند علاوه بر ارائه خدمات و امکانات به ساکنان خود در مقیاس منطقهای و سطوح بالاتر نیز موفق عمل نماید. از این حیث ساختار شهری و منطقهای باید به صورت سیستمی، یکسان توسعه یابد تا در ارائه ی مطلوب خدمات و امکانات به حوزه نفوذخود و درنهایت رسیدن به توسعه منطقهای بهتر عمل نماید .
واژگان کلیدی : شهر کوچک ، توسعه ، توسعه منطقهای ، نقش شهری، توسعه فضایی
فهرست مطالب
مقدمه: ......................................................................................................................................................1
فصل 1: طرح تحقیق وچارچوب کلی پژوهش 3
1-1- بیان مسأله..................................................................................................................................4
1-2- سؤالات پژوهش ......................................................................................................................6
1-3- اهداف پژوهش ........................................................................................................................6
1-4- اهمیت موضوع .......................................................................................................................7
1-5-روش تحقیق .............................................................................................................................7
1-6- روشهای گردآوری اطلاعات و ابزار تحقیق...............................................................................8
1-7- پیشینه پژوهش ...................................................................................................................... 8
1-7-1- سا بقه موضوع در جهان ....................................................................................................8
1-7-2- سابقه موضوع در ایران......................................................................................................11
1-7-3- سابقه پژوهش در منطقه مطالعاتی .....................................................................................12
1- 8- مشکلات پژوهش ..................................................................................................................12
1-9- فرایند انجام تحقیق ..................................................................................................................13
فصل 2 :مبانی و دیدگاه های توسعه منطقه ای 15
2-1- تعاریف ، مفاهیم و اصطلاحات کلیدی....................................................................................16
2-1-1- نقش شهری ....................................................................................................................... 16
2-1-2- شهر کوچک .................................................................................................................17
2-1-3- توسعه.............................................................................................................................18
2-1- 4- منطقه.............................................................................................................................19
فهرست مطالب
2-1- 5- توسعه منطقه ای .............................................................................................................21
2-1- 6- حوزه پیرامونی- عملکردی .............................................................................................23
2-2-مفاهیم پایه................................................................................................................................26
2-2-1- سامانه منطقه ای .............................................................................................................25
2-2-2- ضرورت بررسی سامانه های منطقه ای..............................................................................26
2-2-3-توسعه و سامانه های شهری و منطقه ای.............................................................................27
2-3- بررسی دیدگاهها و نظرات.......................................................................................................28
2-3-1- نظریه مکان مرکزی .......................................................................................................30
2-3-2- نظریه قطب رشد ( پرو )................................................................................................. 31
2-3-3- نظریه عملکرد شهری درتوسعه روستایی........................................................................32
2-3-4- نظریه مرکز– پیرامون .................................................................................................35
2-3-5-نظریه توسعه روستا– شهری.............................................................................................39
2-4- جمع بندی ونتیجه گیری از فصل دوم......................................................................................41

فصل 3 : شهرهای کوچک و توسعه منطقه ای43
3-1-دیدگاه های موجود درباره نقش شهرهای کوچک در توسعه منطقهای .................................... 44
3-1-1- شهرهای کوچک ونقش آن درتوسعه مناطق پیرامون......................................................44
3-1-2- شهرهای کوچک و تمرکز زدایی..................................................................................48
3-1-3- شهرهای کوچک وتعادل منطقه ای................................................................................49
3-1-4- شهرهای کوچک وتعادل بخشی به نظام اسکان جمعیت.................................................50
3-1-5- شهرهای کوچک وتوسعه پایدارمنطقه ای......................................................................52
3-1-6- شهرهای کوچک وجامعه مدنی..................................................................................54
3-2- روشها و تکنیک های رتبه بندی منطقه ای............................................................................ 55
فهرست مطالب
3-2-1- قاعده رتبه – اندازه........................................................................................................55
3-2-2-مدل ضریب ویژگی....................................................................................................... 55
3-2-3- مدل ضریب مرکزیت.....................................................................................................56
3-2-4- ضریب کشش پذیری: ...................................................................................................56
3-2-5- روش ضریب مکانی : ....................................................................................................56
3-2-6- روش میزان سنج نهادی گاتمن.......................................................................................56
3-2-7-تحلیل شاخص های توسعه شهری....................................................................................57
3-3- تجربیات جهانی ................................................................................................................... 57
3-3- 1- چین .............................................................................................................................57
3-3- 2- فیلیپین...........................................................................................................................58
3-3- 3-ژاپن ............................................................................................................................. 59
3-3- 4- بنگلادش .....................................................................................................................60
3 -3- 5- هند..............................................................................................................................61
3-3- 6- نیجریه و تانزانیا............................................................................................................ 61
3-3- 7- استرالیا..........................................................................................................................62
3-4- جمع بندی و نتیجه گیری از فصل سوم....................................................................................63
فصل چهارم : شناخت و تحلیل محدوده مطالعاتی 66
4-1- شناخت و تحلیل نظام شهری استان چهارمحال و بختیاری ....................................................... 67
4-1-1- آشنایی مقدماتی با استان.................................................................................................67
4-1-2- شهرستان شهرکرد..........................................................................................................67
4-1-3- تقسیمات سیاسی- اداری................................................................................................67
4-1-4- تحولات کانون های جمعیتی استان................................................................................70
فهرست مطالب
4-1-5- شبکه شهری استان...............................................................................................73
4-1-6- ساختارکارکردی شبکه شهری..............................................................................76
4-1-7- تحلیل قاعده رتبه– اندازه......................................................................................79
4-2- شناخت و تحلیل سازمان فضایی بخش سامان .................................................................84
4-2-1- موقعیت جغرافیایی بخش سامان ............................................................................85
4-2-2- ویژگی های اقلیمی................................................................................................85
4-2-3- مطالعات جمعیتی- اجتماعی..................................................................................85
4-2-4- اوضاع اقتصادی منطقه...........................................................................................90
4-2-5- موقعیت ساختاری سکونت گاه های بخش سامان...................................................91
4-2-6- تجزیه و تحلیل شبکه راهها و ارتباطات فضایی.......................................................93
4-2-7- نظام سلسله مراتبی و سطوح عملکردی..................................................................96
4-2-7-1- سطح بندی سکونت گاه ها بر اساس جمعیت .................................................96
4-2-7-2- سلسله مراتب اداری و سیاسی......................................................................100
4-2-7-3- نظام سلسله مراتبی بر اساس برخورداری های موجود ................................102
4-3- شناخت و تحلیل نقشهای کارکردی شهر سامان........................................................... 104
4-3-1- خصوصیات جمعیتی شهرسامان............................................................................106
4-3-2- مهاجرت.............................................................................................................107
4-3-3- اوضاع کلی اقتصادی شهر.................................................................................108
4-3-4- توزیع شاغلین دربخش های مختلف اقتصادی شهرسامان.....................................109
4-3-5- تحلیل نقشهای کارکردی شهر سامان..................................................................111
4-3-5-1- تحلیل در سطح کلان................................................................................111
فهرست مطالب
4-3-5-1-2- تحلیل شاخص های توسعه شهری....................................................................111
4-3-5-1-3- تحلیل جمعیتی ( ضریب جمعیت پذیری)..........................................................113
4-3-5-1-4- تحلیل اقتصادی ( ضریب سهم مکانی یا اقتصاد پایه ) .............................. 114
4-3-5-2- تحلیل درسطح خرد (منطقه ای)......................................................................117
4-3-5-2- 1- ارزیابی نقش کارکردی شهرسامان به روش « بوژوگارنیه و ژرژشابو »...............117
4-3-5-2- 2- مطالعه تطبیقی ضریب ویژگی وضریب مرکزیت............................................119
4-3-5-2- 3- روش اسکالوگرام گاتمن..............................................................................121
4-3-5-2- 4- تحلیل درجه توسعه یافتگی..............................................................................124
فصل پنجم : نتیجه گیری نهایی وارائه پیشنهادات 121
5-1- پاسخ به سؤالات...............................................................................................................128
5-1-1- سؤال اول.................................................................................................................128
5-1-2- سؤال دوم................................................................................................................130
5-1-3- سؤال سوم................................................................................................................132
5-1-4-سؤال چهارم .............................................................................................................133
5-2- نتیجه گیری نهایی.............................................................................................................134
5-3- پیشنهادات درمورد منطقه مطالعاتی....................................................................................138
فهرست منابع ........................................................................................................................ 142
پیوستها.....................................................................................................................................148
پیوست یک- تکنیک های پژوهش .......................................................................................... 148
پیوست دو- محاسبات وشاخص های مورد استفاده پژوهش....................................................... 157
فهرست جداول
جدول شماره 2-1- قابلیت ها ومزیت های رویکردکارکردهای شهری درتوسعه روستایی ................ 34
جدول شماره 4-1- تعدادشهر، دهستان، آبادی ها و مساحت شهرستان شهرکرد در مقایسه با استان سال1376..........................................................................................................................................67
جدول شماره 4 – 2- تقسیمات سیاسی شهرستان شهرکرد ................................................................ 67
جدولشماره4-4-تغییر و تحولات جمعیتی کانون های شهری استان چهارمحال و بختیاری 1385- 1335...............................................................................................................................................71
جدول شماره 4-4- اشتغال شهرهای استان در بخش های سه گانه در سال 1375 ...............................75
جدول شماره 4-5- توزیع لگاریتمی شهرهای استان چهارمحال و بختیاری 1365...............................79
جدول شماره 4-6- توزیع لگاریتمی شهرهای استان چهارمحال و بختیاری 1385 .............................80
جدول شماره4-7- تغییرات جمعیت بخش سامان درسرشماری های مختلف از سال( 1385- 1345)............................................................................................................................................86
جدول شماره4-8- تغییرات نرخ رشد جمعیت در دهستان های سامان وهوره طی سالهای ( 1385 – 1345 ).....................................................................................................................................................87
جدول شماره 4-9- مساحت اراضی زراعی وباغی در منطقه ............................................................90
جدول شماره 4-10- سطح بندی جمعیتی بخش سامان ....................................................................97
جدول شماره 4-11- سطح بندی آبادی های بخش سامان، براساس متوسط امتیازات شاخص مرکزیت وضریب ویژگی ...........................................................................................................................103
جدول شماره 4- 12- روند تغییرات جمعیت شهرسامان طی سالهای ( 1385-1335).......................106
جدول شماره 4- 13- محل اقامت قبلی مهاجران وارد شده به شهرسامان طی دوره ( 1375-1365) ................................................................................................................................................... 107
فهرست جداول
جدول شماره4-14- پراکندگی تعداد و درصد شاغلین در بخش های عمده اقتصادی (شهرسامان)....................................................................................................................................109
جدول شماره 4-15- سطح بندی نقاط شهری استان چهارمحال وبختیاری براساس مدل تاکسونومی.....................................................................................................................................112
جدول شماره 4- 16- مقایسه جمعیت پذیری شهرسامان با استان چهارمحال و بختیاری .................. 112
جدول شماره4- 17-ضریب مکانی فعالیت های اقتصادی به تفکیک درسطح شهرستان، نقاط روستایی شهرستان وشهرسامان.................................................................................................................... 115
جدول شماره 4- 18–ضریب مکانی فعالیت های اقتصادی شهرستان شهرکرد وشهرسامان درگروههای عمده اقتصادی..............................................................................................................................116
جدول شماره 4- 19- پراکندگی تعداد و درصد شاغلین در بخش های مختلف اقتصادی درشهرسامان ....................................................................................................................................................117
جدول شماره 4- 20- سطح بندی روستاهای بخش سامان براساس مدل تاکسونومی...................... 124
فهرست نمودارها
نمودارشماره2- 1- روابط وتعاملات میان مراکز و سطوح در یک سیستم منطقه ای .......................... 23
نمودارشماره 2-2- ساخت سیستم عمومی منطقه............................................................................... 26
نمودارشماره 2-3- مراحل شکل گیری ساختارمنطقه ای(تئوریمرکز - پیرامون ) ............................... 37
نمودارشماره 4-1- میانگین درصد اشتغال در شهرهای استان سال 1375............................................ 76
نمودارشماره 4-2- مدل رتبه– اندازه دراستان چهارمحال و بختیاری................................................. 81
نمودارشماره 4-3- رشد جمعیت و تغییرات رتبه– اندازه سکونت گاه های شهری منطقه چهارمحال وبختیاری ( 1385-1365) ............................................................................................................... 82
نمودارشماره 4-4- تغییرات جمعیت بخش سامان درسرشماری هامختلف از سال (1385- 1345) ...................................................................................................................................................... 86
نمودارشماره 4-5- تغییرات نرخ رشد جمعیت بخش سامان درسرشماری های مختلف ازسال (1385- 1345) ........................................................................................................................................... 87
نمودارشماره4-6- الگوی سلسله مراتب سیاسی اداری دربخش سامان ............................................. 99
نمودارشماره 4- 7- روندتغییرجمعیت شهرسامان طی سالهای 1385- 1335.................................. 106
نمودارشماره 4- 8- توزیع درصد شاغلین شهرسامان درسه بخش عمده فعالیت سال (1345) .......... 109
نمودارشماره 4- 9- توزیع درصد شاغلین شهرسامان درسه بخش عمده فعالیت سال (1355) ..........109
نمودارشماره 4- 10- توزیع درصد شاغلین شهرسامان درسه بخش عمده فعالیت سال (1365) .......110
نمودارشماره 4- 11- توزیع درصد شاغلین شهرسامان درسه بخش عمده فعالیت سال (1375) ......110
نمودارشماره 4-12- مقایسه ضریب جمعیت پذیری شهرسامان با استان چهارمحال وبختیاری........113
نمودارشماره4-13- ارزیابی نقش کارکردی شهرسامان ..............................................................118
فهرست نقشه ها
نقشه شماره 4-1- شبکه شهری استان چهارمحال و بختیاری ............................................................73
نقشه شماره 4-2- توزیع سکونتگاههای روستا شهری استان چهارمحال و بختیاری با توجه به عامل توپوگرافی .....................................................................................................................................74
نقشه شماره 4-3- موقعیت نسبی بخش سامان نسبت به شهرستان شهرکرد و استان چهارمحال و بختیاری ......................................................................................................................................................85
نقشه شماره 4-4- الگوی استقرار سکونت گاه های روستایی و شهری بخش سامان در ارتباط با عوارض طبیعی و مصنوع..............................................................................................................................94
نقشه شماره 4-5- سطح بندی جمعیتی سکونت گاه های روستایی بخش سامان...............................98
نقشه شماره 4-6- سطح بندی خدماتی سکونت گاه های روستایی بخش سامان.............................104
نقشه شماره 4-7- درجه توسعه یافتگی سکونت گاه های روستایی بخش سامان با استفاده از مدل تاکسونومی..................................................................................................................................126
مقدمه:
امروزه کاملاً واضح است که برنامهریزی و سرمایهگذاری ملی بیشتر به نفع لایۀ بالایی سلسله مراتب شهری– روستایی صورت گرفته است . تمرکز کنونی جمعیت و مشاغل سودآور در تعداد کمی از شهرها، تا حدودی حاصل خط مشی گذشته است . حاصل چنین نگرشی ، علاوه بر توزیع نامتوازن و غیر عادلانه فعالیتهای اقتصادی ، موجب پراکنش نابرابر جمعیت ، سرمایه ، امکانات و تسهیلات در سطوح ملی و منطقهای گردیده است که در زمان حاضر یکی از موانع مهم در برابر توسعه اقتصادی – اجتماعی همه جانبه در بیشتر کشورهای در حال توسعه به شمار میرود .برنامهریزی منطقهای در دوران کوتاه عمر خود، نگرشهای مختلفی را در دل خود جای داده و با تکیه بر این نگرش و دیدگاهها دوران تحول خود را طی میکند. دیدگاه های موجود در توسعه منطقهای از قبیل " قطب رشد " ، " توسعه روستایی " و " توسعه روستا- شهری "در کشور ما، ذهن برنامه ریزان و پژوهشگران را به خود جلب کرده است که در سطح ملی، آمایش سرزمین به عنوان آخرین تحول در نگرش برنامه ریزی فضایی مورد توجه قرار گرفته است . یکی از ارکان مهم توسعه، جامع بودن و یکپارچگی آن ونیز رفع عدم تعادلهای اقتصادی –اجتماعی مناطق درون کشور است . بر این اساس میتوان گفت که برداشت منطقهای از توسعه است که میتواند کل یک کشور را به توسعه جامع و یکپارچه برساند و از این دیدگاه است که اهمیت نقش و عملکرد شهرهای درجه دوم و سوم از جمله شهرهای کوچک ، قابل تبیین میگردد . توسعه ی درونزا و متکی به قابلیتهای درونی شهرهای کوچک ، یک بستر مناسبی را طلب میکند که در گام اول آرایش فضایی سکونت گاه ها در یک نظام سلسله مراتبی از الویتهایی است که در ارائه ی نقش مطلوب شهرهای کوچک در توسعه ی منطقهای یاری خواهند رساند، در گام بعدی مکان یابی فعالیتها بر حسب ظرفیت هر نقطه جمعیتی و تعیین جایگاه این شهرها در سلسله مراتب فرادست است که نقش واقعی آنها را ترسیم خواهد کرد.
سامان بعنوان یک شهر کوچک و تابعی از نظام کلان منطقه چهارمحال و بختیاری، بر حسب ویژگیهای طبیعی، انسانی، اقتصادی و فرهنگی از محرومیت و توسعه نیافتگی مضاعفی برخوردار است. مجموعه شرایط فوق تغییر و تحولات اقتصادی و اجتماعی، آن را دچار رکود کرده است.
رشد سریع جمعیت شهر سامان در دهه های اخیر موجب گسترش فعالیتهای بازرگانی، حمل و نقل و خدمات مالی شده و امروزه در حالت گذار و همزیستی بخشهای سنتی و نوین به سر می برد، ولی عدم تحرک در اقتصاد روستایی و کل منطقه که زاییده انزوای جغرافیایی و کم توجهی به قابلیت های درونی بخش است، امکان هر گونه تغییر و تحول مثبت را از شهر گرفته و کل منطقه را در گرداب تولید سنتی و عدم تحرک اقتصادی فرو برده است.
بر این اساس تمرکز اصلی این پژوهش بر روی نقش و کارکرد شهر سامان در توسعه منطقه پیرامون خود است. که درپنج فصل تنظیم شده است که در فصول اول تا سوم مبانی نظری، دیدگاهها و تکنیک های مورد استفاده در پژوهش آورده شده است و در فصل چهارم و پنجم که مهمترین فصول این پژوهش بوده نظام های سکونت گاهی منطقه مطالعاتی از جنبه های طبیعی و انسانی مورد بررسی قرار گرفته و در ادامه نظام شهری استان چهار محال و بختیاری، سازمان فضایی بخش سامان و جایگاه شهر سامان وهمچنین به ارزیابی نقش شهر سامان در توسعه (فضایی- کالبدی) سکونتگاههای پیرامون پرداخته شده است . ودر آخر نیز نتایج و پیشنهادات ارائه شده است.
این پژوهش مدعی آن نیست که همه مسائل را در چارچوب موضوع به دقت مطالعه کرده است . تحقیقات در حوزه مسائل شهری و ناحیه ای، به دلیل حجم موضوعات مورد مطالعه دارای پیچیدگیهایی است که به هیچ عنوان امکان بررسی همه جانبه آن در یک تحقیق دانشجویی نمی گنجد، به علاوه توان علمی محدود نگارنده نیز مزید بر علت است، بدین خاطر وجود نقص و کاستی درپژوهش امری طبیعی است و پژوهشی جدی و کارساز است که دیگران در نقد آن بکوشند. نگارنده هر نوع انتقاد و گوشزد کردن نارساییها را بدیده منت خواهد پذیرفت و امیدوار است که زمینه های بررسی نشده را دیگران تکمیل نمایند.
فصل اول
طرح تحقیق و چارچوب کلی پژوهش
1-1- بیان مسأله :
شهرنشینی امروزه چهره ی مسلط زندگی و بارزترین نمود تکامل جوامع انسانی است که درکشورهای مختلف جهان اعم از توسعهیافته و توسعهنیافته، رو به گسترش است. گسترش بیرویه آن جوامع انسانی و مکانهای جغرافیایی را با مشکلات و مسائل متعددی‌‌ روبهرو کرده است.مشکلات شهرنشینی در کشورهای درحال توسعه که به طور عمده ناشی از توزیع فضایی نامتعادل جمعیت، مهاجرت بیرویه از روستاها به شهرها ، تمرکز بیشاز حد جمعیت و نیرویهای اقتصادی در متروپلهای منطقهایمیباشد، موانعی را بر سر راه برنامهریزی در سطوح مختلف ایجاد کرده است . ضرورت ایجاد تعادلهای منطقهای ، عدالت اجتماعی، تمرکززدایی وگرایش به الگوی عدم تمرکز توسعه،الزاماتی را در این کشورها به وجود آورده است و دولتها را در بدو امر به نگرش فضایی در برنامهریزی سوق داده است و در این راستا محققان و برنامهریزان را برآن داشته است که به فکر راهکارهای بنیادی و اساسی برای کاهش و یا حل مشکلات شهرنشینی گسترده و بیرویه باشند. در این راستا سیاستها و برنامههای مفیدی تدوین و استراتژی توسعه شهرهای کوچک و نقش آن در توسعه ملی و منطقهای به عنوان بخشی از راهحلهای فضایی و برنامهریزیهای جامع کشورهای در حال توسعه به کار گرفته شده است. تجربیات جهانی در این زمینه یعنی اهمیتدادن به شهرهای کوچک بیانگر این واقعیت است که حل مسائل و مشکلات شهرهای بزرگ و مشکلات شهر نشینی جهان امروز در گرو حمایت و توجه جدی به شهرهای کوچک است.
در ایران نیز طی سالهای اخیر برای یکپارچهسازی مناطق مختلف کشور، سیاستهایی اندیشیده شده است تا از تمرکزگرایی کاسته شود . طرح آمایش سرزمین، خطمشی و اصول توسعه ی جوامع شهری و روستایی را ترسیم کرده و نقش وکارکرد هر یک از شهرهای (بزرگ ، میانی و کوچک) را مشخص کرده است ولی توسعه و توجه به شهرهای کوچک، در اولویت آخر قرار دارد .هر چند این راهبرد،متناسب با اهداف برنامههای ملی است ولی با توجه به افزایش تعداد شهرهای کوچک و تبدیل بعضی از مراکز روستایی به شهری، مشکلاتی را به وجود آورده است که نیاز به توجه جدی دارد . شهرهای کوچک در ایران به عنوان مکانمرکزی بیشترین روابط را با حوزه نفوذ خود دارند. نقش اینگونه شهرها نه تنها به صورت مراکز توزیع خدمات و بازار فروش محصولات کشاورزی موجب پویایی بخش کشاورزی میشود بلکه عاملی در تجاری شدن بخش کشاورزی در حوزههای روستایی نیز هست . و بخشی از منطقه یا ناحیه را به تحرک اجتماعی- اقتصادی می رسانند. و در صورت پیدایش تحرکات و جریانات مثبت اقتصادی – اجتماعی در شهرهای کوچک، با پذیرش بخشی از مهاجران روستایی، تا حدی مهاجرتهای روستایی به شهرهای بزرگتر را خنثی می کنند و زمینه را برای توزیع متوازن جمعیت و امکانات و سرمایه فراهم می نماید.
شهر کوچک سامان به عنوان یک مکان مرکزی در منطقه دارای سطح روابط و وابستگی های فضایی فعال با حوزه نفوذ خود می باشد. اما وجود مسائل و مشکلاتی مانع توسعه شهر و منطقه شده است. این امر ناشی از نبود نظم سلسله مراتبی در ارائه خدمات در منطقه، عدم توجه به نقش منطقه ای و توجه صرف به نقش محلی( درون شهری) می باشد. توسعه منطقه ای بخش سامان می تواند متکی به منابع درونی خود منطقه از قبیل: اقتصاد روستایی، صنایع دستی و فعالیتهای گردشگری باشد. که استفاده بهینه از این منابع و امکانات برای بوجود آوردن توسعه منطقه ای وجود یک رابطه اورگانیک و دو سویه و برنامه ریزی شده بین شهر و منطقه بیافزاید. از طرف دیگر هر گونه دگرگونی در ساختار اقتصادی منطقه و روستاها، با تأمین و تقویت امکانات اجتماعی و اقتصادی شهر سامان امکانپذیر خواهد بود تا نقش سازمانی و مدیریتی خود را به بهترین وجه در منطقه ایفا نماید.
سؤالات پژوهش
شهرهای کوچک چه نقشی در برنامه ریزی فضایی و توسعه منطقه ای محدوده های پیرامون خود ایفاء می نمایند؟
آیا شهر سامان باعث توسعه سکونتگاههای بخش شده وتوانسته روایط جدید و پایداری بین سکونتگاهها ایجاد نماید ؟
آیا شهرکوچک سامان باعث افزایش و بهبود کارکردهای خدماتی روستاهای حوزه نفوذخود شده است؟
آیا شهر کوچک سامان به عنوان یک مکان مرکزی باعث استحکام روابط روستا-شهری و انتظام بخشیدن به سلسله مراتب سکونتگاهی خو د شده است؟
اهداف پژوهش
پژوهش حاضر دارای اهداف ذیل است :
- هدف کلان
بررسیجایگاهنقششهرهایکوچکواهمیتآنهادرمباحثتوسعهفضایی؛
1-3-2-اهداف خرد
شناخت و تبیین نقش شهرهای کوچک با مصداق شهر سامان و بکارگیری یافتهها در ارائه ی راهکارهای توسعه فضایی- کالبدی سکونت گاه های پیرامون ؛
تحلیل اثرات توسعه ی شهر سامان در نحوه ی ساماندهی ، تقویت و دگرگونی روابط و وابستگیهای فضایی با حوزه ی نفوذ ؛
اهمیت موضوع
استان چهارمحال و بختیاری از دیر باز به علل بهره داشتن از منابع غنی و ارزشمند کانی، منابع غنی آب و خاک، وجود اقلیم مساعد و تنوع ساختارهای شهری- منطقه ای و توسعه ی بسیار سریع سکونتگاههای روستا– شهری در سالهای اخیر زمینه های مناسب جهت بررسی و تدوین در موضوع مورد تحقیق را نشان می داد. با توجه به فراوانی شهرهای کوچک در سطح استان، برای انتخاب شهر مورد نظر در این پژوهش معیارهایی مانند وجود حوزه نفوذ وسیع روستایی با تراکم جمعیتی بالا ، قابلیت فراوان برای متنوع سازی کشاورزی، داشتن ظرفیت بالقوه و بالفعل برای صنایع فرآوری محصولات کشاورزی و کارکردهای بازاری، برخورداری از فرصت و آزادی عمل برای ایجاد مشاغل غیر زراعی، وجود منابع برای افزایش تلاش های توسعه در حوزه ی نفوذ شهر (منابع معدنی، جنگل، اراضی حاصلخیز و ....) و وجود فاصله نسبتاً مناسب با شهرهای بزرگ و ثانویه و با روستاهای پیرامون خود مد نظر قرار گرفته است. از دیگر انگیزه ها در انتخاب موضوع، شناخت پژوهشگر از منطقه مورد مطالعه و وجود ضعف ها و کمبودهایی است که در منطقه مورد مطالعه مشاهده شده است. و تا به حال در زمینه شهرهای کوچک در منطقه مورد مطالعه کار تحقیقی صورت نگرفته است .


1-5- روش تحقیق
روش تحقیق فرایندی است که طرح موضوع ، مسئله شناسی، فرضیه سازی ، هدف گذاری ،کسب اطلاعات،استفاده از ابزار و تکنیکهای مرتبط با موضوع ، نحوه استنتاج و جمعبندی و نهایتاً تدوین آن را دربر میگیرد. انتخاب روش تحقیق بستگی به هدفها و ماهیت موضوع پژوهش و امکانات اجرایی آن دارد. بنابراین، هنگامی می توان در مورد روش بررسی و انجام یک تحقیق تصمیم گرفت که ماهیت موضوع پژوهش، هدفها و نیز وسعت دامنه ی آن مشخص باشد . در پژوهش حاضر با توجه به سؤالات ارائه شده سعی در شناخت و تبیین و ارزیابی نقش شهرهای کوچک و اهمیت اینگونه از شهرها در توسعه منطقهای و روستایی است .
بر اساس مطالب ذکر شده، روشهای تحقیقی که در اینجا از آن استفاده شده است به شرح زیر است:
1-5-1- روش تطبیقی و تحلیلی
با توجه به موضوع پژوهش در سطح مسأله شناسی ازروشهای تطبیقی و تحلیلی استفاده میشود تا مبانی تئوریک آن مشخص شود و سپس با مقایسه ی وضع موجود و تجربیات گوناگون، نظام فضایی منطقه مورد مطالعه در چارچوپ اهداف درنظر گرفته شده تبیین گردد.
1-5-2-روش توصیفی و تحلیلی
این روشبا «چههست» مطرح می شود و در واقع، توصیف، ضبط،تجزیه و تحلیل شرایط موجود با توصیف منظم ومدون موقعیتی ویژه با حوزه ی مورد علاقه به صورت واقعی و عینی است.بدین ترتیب سعی میشود با جمعآوری اطلاعات و دادههای مربوط به این منطقه، نقش و عملکرد شهرهای کوچک در توسعه ی منطقهای به طور عینی و واقعی تحلیل شود. از طرفی برای عینیتدادن به یافتهها و اطلاعات مورد نیاز پژوهش از الگوها ، تکنیکهای تحلیلی و نقشهها و نرم افزارهای کامپیوتری استفاده خواهد شد.
1-6-روشهای گردآوری اطلاعات و ابزار تحقیق
1-6- 1- مطالعات کتابخانهای
در این بخش، مسأله شناسی ، طرح ضرورت و اهمیت تحقیق و هدفگذاری ، از کتاب ها، پروژه - ریسرچها،گزارشها، طرحهای ملی- منطقهای- محلی و هرآنچه درباره ی موضوع انتشار یافته مورد استفاده قرار میگیرد و بر اساس آگاهی از مسائلی که بر منطقه مطالعاتی حاکم است مبانی نظری و شالوده پایانامه حاضر ریخته شده و بر مبنای آن خطوط کلی حاکم بر تحقیق در این بخش ترسیم شده است.
بخش دیگر مربوط به گردآوری اطلاعات و آمارهای موجود درنشریات و دورههای مختلف سرشماریهای نفوس و مسکن و فرهنگ آبادیهای کشور،آمارنامههای مرکز آمار ایران و تهیه نقشههای مربوط به منطقه میشود. همچنین اسناد تاریخی و کتبی درباره منطقه انتشار یافته جهت بررسی تکوین تاریخی نظام شهرنشینی و سکونتگاهی منطقه ، مطالعه و بررسی میشود .
1-7- پیشینه پژوهش
1-7-1- سابقه موضوع در جهان
ایده و موضوع مطالعه ی تاثیر کارکردی شهرها و یا نقاط شهری کوچک در سطح منطقهای و محلی اولین بار با کار جانسون (1970) و بحث «مرکز توسعه روستایی» توسط فانل (1976) و مطرح گردید که تقریباً جدیدترین موضوع در کار توسعه منطقهای بوده است . بدون شک از طرفداران این دیدگاه،"دنیس راندنیلی" است که با همکاری "رودل" در سال(1978) ، بحث عمیق و گستردهای را در این زمینه با نوشتن کتاب « عملکردهای شهری در توسعه« روستایی » فراهم آورد. این دو محقق برای آزمون این کارکردها، اوایل دهه (1980)، پروژهای را از طرف نمایندگی آمریکا در توسعه بین المللی (U.S.A.I.D) شروع کردند .این پروژه در کشورهای فیلیپین و بولیوی و با راهبردهای مشابه در سایر کشورهای در حال توسعه تجربه گردیدکه هدف اصلی برنامه (U.F.R.D) کمک به کاهش فقر روستایی و افزایش تولید و درآمد روستائیان از طریق کارکردها و خدمات شهری (به طور عمده از سوی شهرهای کوچک مجاور) به مناطق روستایی بود.(فنی؛1382: 16)
این پروژه نشان داد که شهرهای کوچک با توجه به خدمات و امکانات زیربنایی و فعالیتهای مولدی که به طور بالقوه و بالفعل در خود دارند میتوانند نقش مهمی در توسعه ی فضاهای روستایی داشته باشند و تقویت آنها در ایجاد پیوند عملکردی این فضاها با شبکه شهری موجب تعادل فضایی ، اقتصادی و اجتماعی در نظام سکونتگاهی میگردد.(نوریوهمکاران؛ 1388:5 )
همچنین در سال(1982) ، کارشناسان بیست کشور جهان در ناگویای ژاپن گرد آمدند تا پیرامون نقش شهرهای کوچک و متوسط ، در توسعه ملی بحث و گفتگو کنند .که نتایجی به شرح زیر به دنبال داشت :
- سهم اصلی رشد جمعیت شهریکشورهای کم رشد به شهرهای یکصدهزار نفری و بالاتر تعلق دارد .
- از دهه (1950) به بعد نرخ رشد جمعیت شهرهای یکصد و بیست هزار نفری تنزل چشمگیری داشته است .
- ساکنان اکثر شهرهای کوچک از منافع اقتصادی حاصله در کشورهای کم رشد سودی نمیبرند و اغلب آنها به واسطه ناچیز بودن سهم سرمایه گذاریهای ملی در زمینه ی تأسیسات زیربنایی ، خدمات ، صنعت و غیره ...، فقط تعداد معدودی از مهاجران روستایی را جذب کردهاند
- نقش آنها به عنوان تسهیل کننده توسعه صنعتی متکی بر حوزههای شهری تضعیف شده است. و هدف اصلی این گردهمایی، آزمودن نقش وموقعیت شهرهای کوچک در توسعه کشورهای کم رشد بوده است. ( فنی ، 17 : 1382 )
"لیگاله" ( 1982 ) با بررسی نقش شهرهای کوچک در توسعه ملی آفریقا به این نتیجه دست یافت که این شهرها با ارائه ی نقش مرکزیت در حوزههای روستایی به عنوان مراکز محرک توسعه در نواحی روستایی به شمار میآیند.(نوریوهمکاران؛ 1388: 5 )
"جانسون" ( E.A. Johnson) کلید توسعه ی روستاها را در وجود شبکهای از شهرهای کوچک که واسطه ی ارتباط شهرهای بزرگ میباشند میداند .( صرافی ؛ 1377 : 132)
"نیل هنسن" در تبین نقش شهرهای کوچک در توسعه ملی ، شهرنشینی اشاعه یافته از پایین ( سیاست از پایین ) را که توسعه ی شهرهای کوچک و میانی را دربر دارد ، وسیله ای ممکن و عملی جهت پیشرفت کشورهای در حال توسعه دانسته است که هدف آن کمک به رفع نیازهای اندک روستایی در مجاورت آنان است . ( رضوانی و همکاران ؛ 1386 : 47 )
"هاردوی" و "ساتروایت" نیز در سال (1986) اقدام به تالیف کتابی تحت عنوان « نقش شهرهای کوچک و متوسط در توسعه ملی و منطقهای در جهان سوم » کردند که اهم نتایج آن عبارتند از :
تاکید بر عدم تجانس شهرهای کوچک و متوسط با شهرهای بزرگ ؛
نقش کلیدی و مهم این شهرها در کنترل اداری ، سیاسی و نظامی منطقه ؛
روابط قوی و عمیق بین کشاورزی و توسعه روستایی با توسعه مراکز کوچک شهری ؛
تاثیر قدرتمند سیستمهای جدید حمل و نقل بر توسعه مراکز کوچک روستایی؛
تنوع شرایطی که رشد صنعتی را در هر مرکز کوچک شهری تعیین میکند .
از دیگر تلاشها در زمینۀ تبیین و ارزیابی نقش و کارکرد شهرهای کوچک در توسعه ، کار چیانگتان در منطقه ونزو چین است که در واقع به دنبال طرح دولت چین مبنی بر تجدید حیات شهرهای کوچک در سلسله مراتب اداری و شهری و تقویت کارکرد بازار روستایی آنها مطرح و اجرا گردید.
اهداف کلی این تحقیق عبارت بودند از :
شناسایی خصیصهها و شرایط شهرهای کوچک و اقتصاد شهری آنها ؛
تبیین روابط میان شهرهای کوچک و منطقه ی نفوذ آنها ؛
بررسی زمینههای اشتغال غیرکشاورزی برای جمعیت مازاد کشاورزی ؛
صنعتی شدن و مکانیزه نمودن کشاورزی در روستاهای تحت نفوذ این شهرها؛
1-7-2- سابقه موضوع در ایران
از مطالعه وتحقیقات زیادی که پیرامون نقش شهرهای کوچک در توسعه منطقهایدر ایران انجام گرفته است که هر کدام از نگاهی خاص به موضوع پرداخته اند کهذیلاًبه برخی از آنها اشاره می کنیم :
شکویی(1373) روابط شهر و روستا و فرصتهای اشتغال در شهرها و نقش شهرهای کوچک در روابط شهر و روستا مطالعه کرده و همچنین به مطالعه نقش شهرهای کوچک در توسعه روستایی و ملاکهای لازم در انتخاب شهرهای کوچک در روابط شهر و روستا را مورد بررسی و مطالعه قرار داده است .
نظریان(1375) ساختار نظام شهری در ایران و در استان زنجان را بررسی و تبیین نموده و همچنین جایگاه شهرهای کوچک ، رشد و توسعه آنها را در ایران و در استان زنجان مطالعه کرده و در نهایت به تبیین جایگاه شهرهای کوچک در سطوح ملی ، منطقهای و محلی پرداخته است .
کوروش رستمی (1380) در تحقیقات خود با استفاده از روش تحلیل شبکه که روش نوینی در برنامهریزی منطقهای محسوب میشود توانمندیهای منطقه ی مورد مطالعه را بررسی کرده و ضمن مشخص نمودن مکانهایی که قابلیت توسعه را دارند و برای سرمایه گذاری مناسب می باشند، پیشنهادات و راهکارهای مناسبی ارائه کرده است .
فنی (1382) به مطالعه ی شهرهای کوچک و تاثیرات کارکردی آنها مانند تاثیر شهرهای کوچک در تحکیم روابط شهر و روستا و یا تاثیر شهرهای کوچک در تعادل بخشی نظام اسکان جمعیت پرداخته و همچنین تطّورجایگاه شهرهای کوچک در نظام شهری و منطقهای را بررسی و مطالعه کرده است .
رضوانی و همکاران (1386) نقش و عملکرد شهرهای کوچک در توسعه ی روستایی را مطالعه کردهاند و با بهرهگیری از روش تحلیل شبکه ی جریانات تاثیرگذار در روابط خدماتی، منطقه ی مورد مطالعه(دهستان رونیز) را در دو دوره ی قبل و بعد از شهرشدن مورد بررسی قرار دادهاند.
1-7-3-سابقه پژوهش در منطقه مطالعاتی
بررسیهای مقدماتی منابع نشان میدهد که تاکنون در خصوص محدوده ی مورد مطالعه، تحقیقاتی صورت نگرفته است از این نظر یک فقر و خلاء مطالعاتی در منطقه احساس میشود که این تحقیق می تواند راهگشای مطالعات جدید باشد .
1-8- مشکلات پژوهش
وجود مشکلات ، تنگناها و موانع از ویژگی های ذاتی هر پژوهش علمی است و غلبه بر این مشکلات خود بخشی از فرآیند پژوهش را تشکیل میدهد. مسائل و مشکلاتی که نگارنده در روند مطالعات با آنها مواجه گشته است عبارتاند از :
با توجه به کاربردی بودن موضوع پژوهش، و با علم بر اینکه تحقیقات کاربردی به دنبال یکسری تحقیقات بنیادین صورت میگیرد ، این نوع تحقیقات پیرامون شهرهای کوچک در ایران اندک است وهمین تحقیقات اندک نیز از انسجام کلی و علمی برخوردار نیست .که این کاستیها میتواند تاثیر منفی بر پژوهش حاضر داشته باشد و در روند مطالعات هم بی تاثیر نخواهد بود؛
کمبود آمار و اطلاعات درباره ی منطقه ی مطالعاتی، که زمان گستردهای از این پژوهش صرف گردآوری و تنظیم آمار و اطلاعات گردیده است ؛
عدم همکاری سازمانهای اداری و سیاسی شهرستان در ارائه حداقل اطلاعات و آمار که میتوانست اندکی از مشکلات پژوهش را کاهش دهد.
1-9-فرایند انجام تحقیق
هر پژوهشی در قالب فرایند علمی صورت می گیرد. فرایند علمی پژوهش از مراحلی تشکیل شده است که به صورت منسجم و مرتبط به هم از نظمی منطقی پیروی کرده، هدف خاصی را دنبال می کند. در پژوهش حاضر جهت تبیین نقش شهرهای کوچک در توسعه ی منطقه ای محدوده مورد مطالعه، مراحل زیر دنبال شده است :
تببین مسأله؛
طراحی سؤالات پژوهش و اهداف آن
تدوین مبانی نظری پژوهش
چارچوب ادراکی پژوهش
شناخت وضعیت موجود
تجزیه و تحلیل عوامل و نیروهای تأثیر گذار
جمع بندی، ارزیابی و ارائه ی پیشنهادات
بر این اساس پژوهش حاضر در قالب پنج فصل سازمان یافته است که عبارتند از:
در فصل اول:چارچوب پژوهش، همراه با طرح مساله، اهداف و سؤالات پژوهش، پیشینه پژوهش و فرایند تحقیق، بیانگردیده است .
فصل دوم : مبانی و دیدگاههای توسعه ی منطقه ای در قالب ؛ مفاهیم واصطلاحات کلیدی، مفاهیم پایه، بررسی دیدگاههای نظری مورد بررسی قرار گرفته است .
فصل سوم : تحت عنوان شهرهای کوچک و توسعه منطقه ای، در سه بخش تنظیم شده است . در بخش اول راهبردهای موجود درباره نقش شهرهای کوچک در توسعه منطقه ای، در بخش دوم روشها و تکنیک های رتبه بندی منطقه ای و در بخش سوم تجربیات جهانی مطرح شده است.
فصل چهارم : نظامهای سکونتگاهی منطقه ی مطالعاتی از جنبههای طبیعی و انسانی مورد بررسی قرار داده و چشم انداز وضع موجود ترسیم گردیده است . در ادامه به بررسی" نظام شهری" استان چهارمحال و بختیاری ، "سازمان فضایی بخش سامان" و" جایگاه شهر سامان" در آن و همچنین به ارزیابی "نقش شهر سامان در توسعه" (فضایی-کالبدی) پرداخته شده است .
و در فصل پنجم : نتایج حاصل از روشها و مدلهای مختلف بررسی شده و در نهایتنتیجهگیری و ارائه ی پیشنهادات بیان شده است.

فصل دوم: مبانی و دیدگاههای توسعه ی منطقه ای
1. مفاهیم و اصطلاحات کلیدی تحقیق
2. مفاهیم پایه
3. بررسی دیدگاههای نظری
2-1- تعاریف،مفاهیم واصطلاحات کلیدی
2-1-1- نقش شهری :
شهرها محل تجمع نیروی کار، تولید ، توزیع و مصرف است . این فعالیتها در زمینههای مختلف اجتماعی ، اقتصادی ، فرهنگی و سیاسی بروز مییابند و ترکیب این نیروها بافت اقتصادی و اشتغال شهر را شکل میدهد . براین اساس هر نقطه ی جمعیتی خواه کوچک و خواه بزرگ نقشهای گوناگونی در زمینههای اقتصادی و اجتماعی برعهده میگیرد . ولی مجموعهای از عوامل جغرافیایی، موقعیت منطقهای شهر ، جایگاه شهر در سلسله مراتب شهری، نحوه تاثیرگذاری و تاثیرپذیری شهر بر منطقه ی پیرامونی خود باعث میشود که ازمیان نقشهای گوناگون، شهر یک نقش برجسته ویژهای پیدا کند . این نقش برجسته ممکن است اقتصادی باشد یا اجتماعی و چه بسا محرک اصلی رشد و توسعه ی شهر نیز به حساب آید و سایر خدمات شهری به دنبال نقش مسلط شهری به وجود آیند. به مفهومی دیگر در میان نقشهای مختلفی که شهر دارد برخی از آنها نقش پایهای و برخی نقش تبعی دارند که بر مدار نقش اصلی شهر میچرخند .
«اصولاً نقش و کارکرد شهری، متاثر از فضای ناحیهای است که شهر در آن تکوین و توسعه یافته است. این فضا تنها محدود به فضای اقتصادی - اجتماعی (به ویژه جمعیتی ) نیست بلکه فضای سیاسی حاکم بر ناحیه را نیز دربر میگیرد.» ( فرید ؛ 1371: 45) برای تعیین نقش شهر روشهای گوناگونی توسط جغرافی دانان ارائه شدهاست که تمامی آنها خاصیت کمی و آماری دارند که مهمترین آنها روش اجرایی" گنار الکساندرسن" "چانسی هاریس آمریکایی"،" ژاکلین بوژوگارنیه و ژرژ شابو " و " ماکس دریوی فرانسوی" است. (همان: 264)
به نظر« مارکس دریوی نقش شهر، اقدام تصنعی است . وی معتقد است شهر ضمن اینکه خدماتی بر ناحیه عرضه میکند از شرایط جغرافیای ناحیه نیز متاثر است . بنابراین برای آزمون نقش و کار شهر باید به طور همه جانبه ناحیه را شناخت و سپس در پی ارزیابی نقش شهرها در ناحیه بود.» (همان:334)
باید در نظر داشت که نقش شهر فقط در جنبه های اقتصادی خلاصه نمیشود بلکه شهر میتواند نقش اجتماعی نیز داشته باشد . نهایتاً نقشهایی که شهرها ارائه میدهند ازهم جدا نیستند بلکه به عنوان اجزای یک سیستم هستند .
2-1-2- شهر کوچک ( small city)
اندازه شهر همچون خود شهر تعریف روشنی ندارد. عوامل متعددی در اندازه یک شهر مؤثرند، که توصیف آنها و نقشی که هر کدام به عهده دارند،به تعریف اندازه شهر کمک میکند.این عوامل عبارتند از:
تعداد جمعیت
توان اقتصادی ( درآمد کل شهر ، درآمد سرانه یا متوسط درآمد خانوار)
اندازه فیزیکی شهر ( وسعت )
تراکم (رابطۀ بین تعداد جمعیت و مساحت شهر) (رضوانی و همکاران ؛ 1386: 46)
شهرکوچک، یک مفهوم نسبی است. این مفهوم به درجه شهرنشینی، سطح توسعهیافتگی و ساختار اقتصادی یک کشور بستگی دارد و به تبع آن در داخل یک کشور از منطقهای به منطقه دیگر، تعریف شهرکوچک متغیر است . سازمان ملل برای تشخیص شهرهای کوچک از سایر شهرها از فاکتور جمعیتی استفاده میکند و رقم یکصد هزارنفری را پیشنهاد میکند( فنی ؛1382 : 14).
در طرح آمایش سرزمین، بهترین طبقهبندی برای شهرهای ایران که مبنای جمعیتی دارد و نیز عملکرد این شهرها بر آن افزوده شده که عبارتند از :
روستا - شهر ( کمتر از 25000 نفر) ؛
شهرهای کوچک ( کمتر از 50000 ) ؛
شهرهای متوسط کوچک ( 50 تا 100 هزار نفر ) ؛
شهرهای متوسط بزرگ ( 100 تا 250 هزار نفر) ؛
شهرهای بزرگ میانی (250 تا 500 هزار نفر) ؛
شهرهای بزرگ و بسیار بزرگ ( 500 هزار تا 2 میلیون نفر).
در این طرح به شهرهای که کمتر از 50 هزار نفر جمعیت دارند شهرکوچک اطلاق میشود درحالی که شهرهای کمتر از 25000 هزار نفری را روستا - شهر در نظر گرفته که البته این شهرها هم جزء شهرهای کوچک به شمار میآید . (حکمت نیا؛ 1385: 203)
باید در تعریف شهرهای کوچک به این نکته توجه کنیم که تعریف شهرکوچک تنها براساسشاخص جمعیتی، یک نگاه تک بعدی به شهرکوچک است و هرگز به تعریف روشنی از شهرکوچک نخواهیم رسید . علاوه بر شاخص جمعیتی ، نوع عملکرد شهریهای کوچک و ماهیت فعالیتهای اینگونه شهرها در حوزه نفوذ و منطقه پیرامون، نقش و توانایی و انعطافپذیری شهرهای کوچک در تعریف اینگونه شهرها باید درنظر گرفته شود. توجه به این نکته حائز اهمیت است که سکونت گاه هایی وجود دارند که با جمعیت بسیارکم عملکرد شهرهای کوچک را دارند . با توجه به اینکه تعریف شهرکوچک از یک کشور به کشور دیگر و حتی از یک منطقه به منطقه دیگر متفاوت است لذا برای هر منطقه مطالعاتی ، با توجه به ویژگیهای آن، از جمله تعداد کل جمعیت منطقه، تعداد شاغلین در بخشهای مختلف شهری وغیره .. میتوان طبقهبندی و تعریف خاصی از شهر کوچک را ارائه داد.
در پژوهش حاضر شهرهای کمتر از 25000 هزار نفری به عنوان شهر کوچک تلقی شده است و شهر سامان با جمعیت 14800 هزار نفر در این طبقه بندی جای میگیرد .
2-1-3- توسعه
توسعه از جمله مفاهیمی است که در دهههای اخیر محل مناقشه صاحبنظران و اندیشمندان علوم اجتماعی بوده است به طوری که منجر به ارائه سه دیدگاه از توسعه شده است و این سه دیدگاه فرایند تاریخی توسعه را نشان میدهند که حاصل ترکیب نیازهای در حال تغییر نظامهای اجتماعی است .
که عبارتند از :
دیدگاه کلاسیک و محافظه کارانه : این دیدگاه به تئوری تولید نیز معروف است و ناظر بر پیشرفت تکنیکی و رشد اقتصادی است.
دیدگاه رادیکال : این دیدگاه در نقد دیدگاه کلاسیک وارد عرصه شده و موضوع توسعه کشورهای پیشرفته و کشورهای در حال توسعه را دو امر کاملاً متفاوت می داند. این دیدگاه مسائل کیفی را بر مسائل کمی مقدم می دارد و غالباً توسعه را بدون انقلاب اجتماعی نا ممکن می شمارد.
دیدگاه اصلاح طلب یا میانه رو: این دیدگاه مسائل انسانی را مرکز ثقل توسعه دانسته و نظریات کمی دیدگاه اول و خشونت مورد نظر دیدگاه دوم را مورد حمله قرار می دهد. این دیدگاه از طرف اندیشمندان جهان سوم مطرح شده است. (معصومی اشکوری ؛ 1376 : 42- 32)
فراگردتوسعه ، فراگردی چند بعدی است که شناخت و تجزیه و تحلیل آن مستلزم یک برخورد کلگرا و استفاده از تمام ابزارهای علوم اقتصادی و اجتماعی است.ماهیت فراگرد توسعه را میتوان به؛"گسترش ظرفیت نظام اجتماعی برای بر آوردن نیازهای محسوس یک جامعه تعریف کرد" در این فرایند مسائل انسانی درست در مرکز اهداف فرهنگی ،سیاسی ، اجتماعی و اقتصادی و اکولوژیکی توسعه قرارمیگیرد . همه سونگرها و کل نگرها : توسعه را «روندی فراگیر در جهت افزایش توانایهای انسانی – اجتماعی برای پاسخگویی به نیازهای انسانی – اجتماعی تعریف میکنند» (صرافی؛1377: 40).
2-1-4- منطقه
نخستین گام تعیین مفهوم منطقه، بررسی این مطلب است که آیا مناطق، پدیده هایی طبیعی یا صرفاً ساخته ذهن ما هستند؛ در این مورد، دو دیدگاه وجود دارد:
1لف) دیدگاه ذهنی : در این دیدگاه تنها یک منطقه ی طبیعی وجود دارد و آن جهان است و سایر تقسیم بندی های ملی، بین المللی و قراردادی، بر پایه ویژگی های کارکردی است.
ب) دیدگاه عینی: بر پایه این دیدگاه، منطقه یک محدوده واقعی و یک وجود حقیقی و پویاستکه می توان آن را به معنای محدوده جغرافیایی همگن، شناسایی کرد.
مفهوم منطقه به عنوان یک محدوده واقعی و یگانه، کاربرد عملی ندارد اما در دیدگاه ذهنی منطقه یک وسیله بیان وتشریح است و می توان آنرا با معیارهای مختلف تعیین کرد. بدین ترتیب حدود و ثغور منطقه بستگی به ماهیت، هدفها و معیارهای برنامه ریزی دارد. (رفیعی؛ 1371: ص11 و 12)
بر این اساس منطقه را می توان به انواع مختلف تقسیم بندی نمود که در اینجا به مهمترین آنها می پردازیم:
منطقه شکلی: یک حوزه جغرافیایی است که بر حسب معیارهای انتخاب شده، یکنواخت و همگن است.
منطقه عملکردی: حوزه ای جغرافیایی است که بخشهای آن طبق معیاری معین، دارای انسجام عملکردی و وابستگی متقابل هستند. این حوزه گاهی از واحدهای نا همگن مانند شهرها، شهرک ها و دهکده ها تشکیل شده است که از لحاظ عملکردی ارتباط متقابل دارند.
مناطق برنامه ریزی: در یک فرایند برنامه ریزی منطقه ای، تعیین منطقه مورد عمل، تلفیقی از منطقه های همگن و در سطح های مختلف منطقه عملکردی ( بر حسب شرایط) می باشد و می توان آنرا به عنوان یک منطقه برنامه ریزی به کار گرفت. و از لحاظ" مقیاس "به چهاردسته : "منطقه کلان"، "منطقه میانی"، "منطقه خرد" و "منطقه محلی" تقسیم می شود. ( فنی ؛ 1375 : 19- 18)
منطقه با نگرش فضایی: منطقه فضایی است با محتوای مشخص که کالبدی هویت یافته داشته باشد در واقع فضایی با محتوا و کالبد مشترک در یک قلمرو جغرافیایی را منطقه می گوییم. معمولا سیمای منطقه قابل تمیز مرئی است. ( معصومی اشکوری ؛ 1388 : 21).
در پژوهش حاضر منطقه مورد نظر در حد یک بخش و حوزه نفوذ آن می باشد که در حقیقت یک منطقع عملکردی و در حد خرد منطقه می باشد.
2-1-5- توسعه منطقهای
توسعه منطقهای عبارت است از یک فرایند و برنامهریزی مداوم که مستلزم عملیات و کنشهایی است که با توسعه پایدار و چندبعدی در منطقه ارتباط تنگاتنگ دارد و یا به عبارتی توسعه منطقهای یک برنامهریزی از پایین به بالاست که مشارکت بخشهای خصوصی و اجتماعی را در سطوح مختلف ملی و منطقهای از عوامل مهم قلمداد میکند . (mexico Office: 2 )
توسعه منطقهای در معنای دیگر یک فرایندی است که از ترکیب قانونی و پایدار تشکیل شده است . (Silberfein .2001:1)توسعه منطقهای به معنای ادغام چند کشور و یا چند منطقه در نظامهای داد و ستد آزاد نیست بلکه به معنی ضد آن ، یعنی توسعه و عمران همه مناطق در محدوده یک کشور است.
(فنی ؛ 1:1382)
توسعه ی منطقه‌ای در اسناد راهبردی به‌عنوان فرایندی برای تحولات مثبت اقتصادی، اجتماعی، زیست‌محیطی و فرهنگی در هر سرزمین، به‌منظور زمینه‌سازی برای رشد سطح رفاه عمومی، امنیت و کیفیت زندگی جامعه تعریف شدهاست.Karnitis.2001:114))
اگر هدف اصلی توسعه اقتصادی– اجتماعی این است که همگی افراد جامعه تحت پوشش منافع حاصله قرار گیرند، هر منطقه یا ناحیه در محدوده ی کشور باید استراتژی توسعه مربوط به خود را داشته باشد تا برنامه و راهکارهای آن با توجه به نیازها و منطبق بر شرایط و امکانات منطقه خود،طراحی و اجرا شود. به سبب وابستگیها و پیوندهایی که هر شهر با حوزه پیرامونی خود دارد، در هر برنامهریزی توسعه ی شهری، مطالعه در برنامهریزیهای منطقهای و حتی ملی، ضرورت می یابد . از این رو برنامهریزی توسعه منطقهای را میتوان کوششی همه جانبه و یکپارچه جهت استفاده از منابع و نیز به کارگیری توانمندیها و امکانات منطقه( اعم از شهر و روستا ) برای بالابردن سطح زندگی ساکنان آن دانست. (فنی ؛ 1382:15)
امروزه گاه از برنامهریزی توسعه منطقهای دو مفهوم استنباط می شود :
منطقهای کردن « برنامه ملی » ؛
عدم تمرکز منطقهای « برنامه ریزی ملی » .
مفهوم اول تنها به محتوای برنامه ملی مربوط میشود . یعنی بعضی از هدف های برنامه و یا طرح ها که اجزاء تشکیل دهنده ی یک برنامه هستند، هم در مقیاس ملی و هم در مقیاس منطقهای تنظیم میگردد . در این مفهوم استرتژی « تمرکز متمرکز » اساس تصمیمگیری را تشکیل میدهد . در حالی که مفهوم اساسی تصمیمگیری، استراتژی « تمرکز غیر متمرکز » است و به موجب آن مقامات محلی در تنظیم و تصویب و اجرای برنامه به منطقه خود مشارکت دارند . ( سازمان برنامه و بودجه : 5-6 )
توسعه منطقهای سه هدف مهم «تولیدی ، اجتماعی و زیست شناختی » را دنبال می کند . توسعه منطقهای برآن است که بهترین شرایط و امکانات را برای توسعه یکپارچه و همهجانبه فراهم آورد ، تفاوتهای کیفیت زندگی بینمنطقهای و درون منطقهای را به حداقل برساند و نهایتاً از میان بردارد و جهت نائل شدن به این اهداف بهترین بهرهگیری ممکن از امکانات طبیعی و استعدادهای انسانی یک منطقه را میسر سازد.
فضا : انسان با فعالیت در محیط طبیعی، محیط مصنوعی را می سازد. فضا مجموعه ای از انسان ها فعالیت ها- محیط طبیعی و محیط مصنوع است. فضا محدود به ابعاد فیزیکی نشده و آنچه را در خود داشته؛ اعم از فیزیکی و غیر فیزیکی و یا ایستا و پویا را شامل شده و دارای بعد زمان است. منظور از فضا تنها فضای کالبدی(فیزیکی) که قابل دیدن و لمس کردن است و مترادف مکان می باشد، نیست بلکه فضایی است که به سبب دخالت انسان پیوسته در تحول و تغییر است و تنها در رابطه با انسان و جامعه معنا دارد بنابراین فضا محصول مشترک طبیعت و انسان است که در حال تغییر و تحول دائم می باشد. اینچنین فضایی موضوع برنامه ریزی فضایی و منطقه ای است. و مجموعه ای از انسان ها، فعالیت ها و محیط های طبیعی و انسان- ساخت است. ( دشتی برنجه ؛ 1379 : 25)
توسعه فضایی: تجلی تلاش انسانها در جوابگویی به نیازهایشان در جامعه، رشد و توسعه ی فضایی را پدید می آورد. گاه اقدامات هدفمند و تلاشهای آگاهانه انسان و گاه فعالیتهای خود به خودی و اتفاقی او به توسعه ی فضایی منجر می شود. الگوهای سکونتی و بناهای احداث شده، مراکز فعالیت و نظام های ارتباطی و بسیاری پدیده های دیگر، تغییر و تکامل در دوران مختلف یک کشور را نشان می دهند. و تحولات رشد وتوسعه را در فضا منعکس می نمایند. ( معصومی اشکوری ؛ 1388 : 20)
توسعه فضایی منطقه ای : به معنی آرایش سازمان یافته اجزای ساختار فضایی در سطح یک منطقه و دور شدن از عدم تعادل ها و فرایند قطبی شدن سازمان فضایی می باشد. در شرایط توسعه یافتگی فضایی، بین سازمان فضایی و ساختار مصرف و تولید و گردش و انتقال منابع در فضای منطقه پیوند ارگانیک وجود دارد. ( معصومی اشکوری ؛ 1388 : 19).
2-1-6- حوزه پیرامونی- عملکردی
به زبان ساده، هر پدیده ای اعم از اجتماعی و اقتصادی، حوزه نفوذ و ناحیه عملکردی ویژه خود را دارد که در واقع به معنی شعاع و حیطه ی نفوذ و تاثیرگذاری آن پدیده می باشد. کانونهای شهری نیز با هر اندازه و مقیاس نیز به عنوان سیستم های اقتصادی- اجتماعی برای خود، حوزه ی نفوذ و حیطه ی عملکردی مشخصی دارند. در هر منطقه ای از مناطق یک کشور، تقسیمات و سطوح کالبدی، برنامه ریزی و نیز شعاع نفوذ تقریبی مشخصی قابل تمایز است. خواه نقاط شهری و خواه نقاط روستایی که عبارتند از :
"سطح ملی- منطقه ای"، "سطح منطقه ای"، "سطح بخشی"، "سطح دهستانی"، "سطح محلی" .
هر یک از این نقاط وکانون های شهری و روستایی در یک نظام سلسله مراتبی از نظر اداری، جمعیتی و کارکردی قرار گرفته اند و هر کدام دارای شعاع نفوذ و ناحیه ی تحت پوشش خدماتی و ارائه تسهیلات با ابعاد تقریبی هستند. اما در مورد شهرهای کوچک که موضوع بحث و تحقیق در این نوشتار است باید گفت که حوزه نفوذ و کارکرد شهر کوچک در مقیاس" میکرو" و حوزه عملکردی شهر میانی و بزرگ در مقیاس" ماکرو" است . شهر کوچک بیشترین تاثیر کارکردی را در قلمرو منطقه یا ناحیه کوچک پیرامون خود دارد علاوه بر آن ممکن است بواسطه مرکز ایالت یا استان بودن و داشتن موقعیت مرکز سیاسی – اداری، شعاع عملکردی ماکرو نیز پیدا کند.
-264795303530
مآخذ : ( فنی ؛ 1375 : 28 )
نمودار 1-2- فرایند انجام تحقیق

نمودار2- 1- روابط و تعاملات میان مراکز و سطوح در یک سیستم منطقه ای
2-2- مفاهیم پایه
2-2-1- سامانه منطقه ای ( شهری –روستایی )
از یک دیدگاه، منطقه به عنوان یک سامانه یا کل مطرح است که خود اساس بخشی از مباحث نظری میان جغرافی دانان و برنامهریزان شهری– منطقهای را تشکیل میدهد. سامانه های منطقهای یا ناحیهای مجموعه ی وابستگی و پیوستگی ساختهای فضایی در جریانات انرژی، کالا و اطلاعات میباشند. بسیاری از کشورهای درحال‌ توسعه فاقد الگوی استقرار هستند و ممکن است در سلسله‌ مراتب سکونت گاهی،مراکز میانی و واسطه ای مجهز داشته باشند اما مراکز سطح پایین ندارند و یا اینکه مراکز کنونی، بخشی از نظام سلسله‌مراتب نقاط مراکزی (یکپارچه از نظر کارکردی) را تشکیل نمی‌دهند.(فنی؛1382 : 19)
نظام فضایی(پدیدآمده) باید بهگونه‌ای باشد که برای انتقال رشد اقتصادی و تامین خدمات و کالاهای کافی، مناسب باشد. در فرآیند برنامه‌ریزی منطقهای توسعه، این استراتژی حدمیانه تمرکزگرایی (مانند قطب رشد) و تمرکززدایی (همچون منظومه کشت-شهری) را برگزیده و تجمیع غیرمتمرکز و به عبارت بهتر»تمرکززدایی با تجمیع« را پیشنهاد کردهاست. در واقع این نظریه، راه‌حلی اصلاح‌طلبانه برای کاستی‌ها و نارسایی‌های توسعه فضایی متداول،که قطبی شده و باعث ایجاد اختلافات ناحیه‌ای شده است می‌باشد ." جانسون"؛جمع‌بندی نظریه‌ها را در گرو سیاست‌گذاری فضایی برای دستیابی به توسعه می‌دانست، اما کلید توسعه روستایی را در وجود شبکه‌ای از شهرهای کوچک (که واسطه ارتباط با شهرهای بزرگ می‌شوند) دیده است. در واقع دسترسی فضایی به فرصت‌ها و تولیدات را با ایجاد و تقویت اینگونه شهرها پیشنهاد نموده است. "راندنیلی"؛ معتقد بود ایجاد شهرهای کوچک باید در پیوند با حوزه‌های روستایی، محور قرار گیرد تا تنوع ‌بخشی به اقتصاد، صنعتی‌نمودن ، عرضه پشتیبانی و تجاری‌سازی کشاورزی و نظایر آن و در نهایت سازماندهی و مدیریت توسعه به خوبی برآورده شود. برخلاف او که پرکردن خلاء سلسله‌مراتبی را از بالا به پایین مدنظر قرار داده است." میسرا " (پژوهشگر معروف هندی) ساختن چنین فضایی را عمدتاً از پایین به بالا مدنظر قرار داده است. (میرزا امینی؛1387 .3) این سیستمها دارای یک کانون برخورد با مرکزیت کارکردی و سکونت گاهی و به طور یکپارچه شامل مزارع، روستاها، شهرهای کوچک، شهرهای میانی، شهرهای بزرگ ( و احتمالاً یک مادر شهر) و حوزه های پیرامونی آنها میباشد که از طریق جریان های سازمان یافته ی مداوم کالا، در آمد و امور مالی و اطلاعات به هم پیوند خورده است .( فنی ؛ 1382 :19 )
"ا.جی ویلسون"؛ در ساخت سامانه عمومی ناحیه یا منطقه ، بر دو سامانه تاکید میکند که با تاثیرات متقابل ، سامانه عمومی ناحیه را شکل می دهند . این دو سامانه عبارت است از :
1- " سیستم جمعیت فضایی" که زیر سیستمها را شامل میشود و نشانگر فعالیتهای مهم جمعیت، سکونت ، محلکار ، بهرهگیری از خدمات ، حمل و نقل و نظایر آن است ؛
" سیستم اقتصادی " یا سیستم سازمانها، که از زیر سیستمها تشکیل میگردد و نشانگر اقتصاد فضایی است و با جمعیت ، خانه سازی ، مشاغل ، خدمات ، امکانات حمل و نقل و کاربری زمین تکمیل میگردد. ( شکویی ؛ 1373 : 398)
2-2-2-ضرورت بررسی سامانه های منطقهای
در کشورهای درحال توسعه به دلیل رشد سریع جمعیت و جریان شدید مهاجرت های روستایی به شهرهای فاقد زیرساختهای لازم ، قریب به 2/3 جمعیت بیشتر این کشورها در شهرها زندگی می کند و مسائلی از جمله کمبود فرصتهای شغلی، نارسایی در خدمات درمانی و بهداشتی، آموزش، مسکن و بروز انواع آلودگی ها و نیز تشدید نابرابری در زندگی شهر و روستا را پدید میآورند. در کشورهای جهان سوم با توجه به ضرورت توسعه یکپارچه، تحلیل وابستگی سکونتگاه های انسانی در سطوحمنطقهای در هر برنامهریزی اساس کار محسوب می شود زیرا در کشورهای جهان سوم ، هدف نهایی از تحلیل سامانه های منطقهای، توزیع مطلوب جمعیت و توسعه اقتصاد- اجتماعی در سطوح ناحیهای است، به عبارت دیگر تحلیل سامانه های منطقهای باید کارایی و بازده فعالیتهای اقتصادی را در همه زوایایی ناحیه به همراه عدالت اجتماعی در توزیع امکانات آن افزایش دهد و در نهایت به صورت محرک فعالیتهای اقتصادی و اجتماعی عمل کند. بدینسان در کشورهای درحال توسعه، حوزههای روستایی شهرهای کوچک منطقه با شرایط عقبمانده باید در مسیر توسعه قرار گیرند و از خدمات بازاریابی، تامین امکانات صنایع کوچک و روستایی، دریافت خدمات مورد نیاز و سالم رساندن مواد تولیدی به کارخانه و بازار بهرهمند شوند. پس اگر هدف از اجرای برنامههای توسعه، ایجاد شرایط مطلوباجتماعی - اقتصادی در شهر و روستا به صورت توأم باشد، لازم است درباره سامانه های سکونت گاهی منطقه، تحقیقات بیشتری صورت گیرد تا از منابع و نیروی انسانی موجود مناطق، جهت ارتقای سطح زندگی و تحقق اهداف توسعه در آنها بهره گرفته شود.(فنی؛1382 :21-22)
مجموعه اقتصاد فضا
زمین
اقتصاد فضا
مجموعه جمعیت فضایی

خانه سازی سکونت
جمعیت شناسی فضایی
- مشاغل محل کار -گارگاه
- خدمات بهره گیری از خدمات
امکانات حمل و نقل بهره گیری از حمل ونقل

نمودار (2-2)- ساخت سیستم عمومی منطقه (شکویی؛1373:398)
2-2-3- توسعه و سامانه های شهری و منطقه ای
نظامیابی سامانه های شهری– منطقهای، به دنبال تاثیرپذیری از شیوهها و روشهای فرایند توسعه اقتصادی– اجتماعی در جامعه صورت میگیرد. از سوی دیگر خود سیستمهای منطقهای و شهری بر نحوه ی تداوم و روند توسعه اثر میگذارند. بنابراین این دو ( نظام منطقهای و توسعه ) در تعامل و تاثیر متقابل قرار دارند و درنهایت در این راستا است که سخن از برنامهها و راهبردهای توسعه ناحیهای یا منطقهای به میان میآید. طرحهایی که باعث دگرگونی اقتصاد ناحیه میشوند و این دگرگونی، در عناصر سامانه های شهری- منطقهای و درنتیجه در کل سامانه تغییراتی پدید میآورد. (فنی؛1382 :22)
در الگویهای توسعه ناحیهای یا منطقهای، معمولاً برنامهریزی، محدود به یک مرکز ویژه نخواهد بود بلکه از پایینترین سطح یعنی حوزهای عمران روستایی آغاز میشود و تا بالاترین سطح یعنی مرکز ناحیه ادامه مییابد و این فرایند، کلیه نقاط سکونت گاهی و حوزههای پیرامونی آنها را پوشش خواهد داد. در داخل یک منطقه یا ناحیه معمولاً یک سطح بندی کانونی یا سطحبندی مرکزی را میتوان شناسایی نمود و به اعتقاد محققان توسعه ی منطقهای ، توسعه یک منطقه ، سخت در ارتباط با توسعه نقاط مرکزی آن است و این امر به آن معناست که جهت بهرهگیری مؤثرتر از منابع نیروی انسانی منطقه ، وجود یک شبکه پیشرفته از جریان کالا، خدمات و اطلاعات بین شهرها ، شهرک ها و مراکز روستایی منطقه ضروری است. از مهمترین خصایص توسعه در یک سامانه شهری- منطقهای این است که تفاوت ها و شکافهای کیفی زندگی را درون منطقه و میان مناطق به حداقل ممکن برساند و درنهایت از میان بردارد و جهت تأمین این منظور، بهترین و کارآمدترین بهرهگیری ممکن را از مواهب طبیعی و استعدادهای انسانی یک ناحیه میسر سازد . (همان :21 – 24)
بررسی دیدگاهها و نظرات
از دهه 1970 به بعد، به علت افزایش دلسردی و سر خوردگی نسبت به مکانیزم رخنه به پایین مطرح شده از سوی مکتب اقتصاد نئوکلاسیک رشد اقتصادی توجه محققان و برنامه ریزان را به مکان های شهری کوچک و متوسط برای ایجاد یک الگوی عادلانه تر برای توسعه اقتصادی- فضایی هدایت کرده است. تمرکز شهری در دنیای در حال توسعه سبب بروز مشکلات متعددی در درون شهرهای بزرگ گردیده است که از آن جمله می توان به تراکم جمعیت، مهاجرت،کمبود مسکن، بیکاری و تخریب محیط زیست اشاره کرد . در نتیجه تحلیل گران مسایل شهری و منطقه ای، توجه خود را به توسعه ی شهرهای کوچک و متوسط، به عنوان راه حل ضروری برای مقابله با عدم توازن ناشی از توسعه نخست شهرها معطوف کرده اند، زیرا تا هنگامی که رشد، صرفا به چند شهر بزرگ محدود باشد گرایش بیشتری به تشدید و تمدید روند رشد در این مراکز نسبت به انتقال تدریجی آنها به مراکز شهری کوچکتر خواهد بود.
کشورهای کمتر توسعه یافته این بحث را مطرح کرده اند که توسعه شهرهای کوچک و متوسط را نمی توان موضوعی پنداشت که به مرور زمان و به خودی خود اجرا گردد، بلکه توزیع فضایی می بایست به وسیله سیاست های عمدی و اندیشیده شده ای که برای توسعه آینده مناسب و قابل قبول باشد، تغییریابد ؛ بر این اساس است که گرایش به شهرهای کوچک مطرح می گردد. از این رو در طی دهه (1980) به بعد در اغلب کشورهای در حال توسعه، یکی از وجوه مشخص سیاست های برنامه ریزی و عمران منطقه ای، جهت گیری به سود شهرهای کوچک می باشد. در واقع این اعتقاد وجود دارد که بدون یک سازمان فضایی سکونت گاهی یا به عبارت دیگر سلسله مراتب عملکردی سکونت گاهی، اهداف توسعه محقق نمی شود. الگوی سلسله مراتب مراکز روستایی، یکی از مهمترین الگوهای برنامه ریزی فضایی سکونت گاه هاست. از ویژگی های مهم این الگو، در هم آمیختن زندگی شهر و روستا از طریق تمرکز خدمات و امکانات رفاهی- زیر بنایی مورد نیاز روستاییان در مراکز سطح میانی سلسله مراتب سکونت گاهی به نام شهرک های محلی و یا روستا شهرها می باشد.
صرف نظر از سابقه تاریخی، آنچه امروز تحت عنوان نظریات برنامه ریزی توسعه منطقه ای و فضایی متداول و مرسوم است، تفکری است که در دهه های اخیر مطرح شده و جوانتر از اندیشه برنامه ریزی توسعه اقتصادی در جهان می باشد. به طور کلی در زمینه گسترش و توسعه مفاهیم و روش های برنامه ریزی توسعه منطقه ای و فضایی، دو جهت گیری اصلی قابل بحث است : اول از آنجا شروع شده که پس از جنگ جهانی دوم بازسازی مناطق آسیب دیده در جنگ توجه مسؤلین این کشورها را به نوعی برنامه ریزی فیزیکی جلب کرد که تحت عنوان برنامه ریزی شهر و روستا نامیده شد و محققانی چون "والتر ایزارد"، "پاتریک گدس"، "برایان بری"، "جان فریدمن" و دیگران از نظریه پردازان معروف این مقطع می باشند . هدف از این شیوه برنامه ریزی که ابتدا در انگلیس شکل گرفت ، استفاده مؤثر از زمین ، مکان یابی فعالیتها، ایجاد قطب های صنعتی، طراحی برای احداث شهرهای جدید با کمربند های سبز و غیره بود. از دیگر سوی، تحت تأثیر تبعات و آثار جنگ، اقتصاد کشورهای درگیر نیز به شدت فلج گردیده بود و لازم بود تصمیماتی اتخاذ گردد تا سیستم اقتصادی این کشورها دوباره به جریان افتد. لذا ضرورت های بازسازی اقتصاد ملی نوع دیگری از برنامه ریزی را در کشورهای فرانسه، ایتالیا و اسکاندیناوی تحت عنوان (برنامه ریزی توسعه اقتصادی) مطرح ساخت. در دسته اخیر از نظام های برنامه ریزی که صرفا جنبه ی باز سازی اقتصادی ملی را داشت، فقط به جنبه های اقتصادی توجه می شد و سایر جنبه ها از قبیل توزیع متعادل آثار، نتایج و دستاوردهای مختلف اعم از اقتصادی، اجتماعی و فیزیکی رشد و توسعه اقتصادی در پهنه سرزمین هر کشور، کمتر مورد توجه قرار گرفت و لذا با اجرای یک یا چند برنامه توسعه اقتصادی، به سوی عدم تعادل اقتصادی، اجتماعی و فضایی در مناطق مختلف کشورشان سوق داده شدند. حل این مشکل، دولت ها و به ویژه سازمان های برنامه ریزی این کشورها را متوجه جنبه های دیگر برنامه ریزی نمود و بتدریج برنامه ریزی های اجتماعی، فیزیکی، میان بخشی، منطقه ای و فضایی مورد توجه قرار گرفت. لازم به تذکر است که با بکارگیری شیوه های برنامه ریزی اقتصادی در جهان سوم این دسته از کشورها همانند کشورهای صنعتی و حتی به گونه ای شدید تر و بغرنج تر از آنها دچار تبعات و آثار مخرب ناشی از این برنامه ها شدند. پیرامون نظریات توسعه ی منطقه ای و فضایی کوشش های بسیاری انجام شده که در اینجا به طرح و بررسی برخی از این نظریات مرتبط با موضوع پژوهش می پردازیم :
2-3-1- نظریه مکان مرکزی
اولین گروه از نظریات که در ارتباط با برنامه ریزی توسعه منطقه ای مورد بررسی قرار می گیرد، پیرامون سازمان یافتگی مناطق است. این نظریه ها به طور عمده تشریح کننده چگونگی نظم فضایی و سلسله مراتب کانون های زیستی در نواحی می باشند. بارزترین این مجموعه تلاش ها که به طور مشخص از دهه 1930 به انجام رسیدند «تئوری مکان مرکزی» است. نخستین تلاش برای شرح الگوهای مکانی را "فون تانن" انجام داده است. وی شهر بزرگی را تصور می کند که با دشتی بزرگ احاطه شده است و محدوده روستایی خود را از نظر کالا و خدمات تأمین می کند و بازاری برای تولیدات آن، فراهم می آورد. هزینه های حمل و نقل اهمیت بسیار دارند، در نتیجه کالاهای حجیم و سنگین در مجاورت شهر تولید می شوند و کالاهای سبک و کم حجم که هزینه حمل و نقل کمتری دارند می توانند در مکان های دورتر ساخته می شوند. بدین ترتیب نظامی از دوایر هم مرکز پدیدار می شود. اصولا ایالت منزوی "فون تانن" حداقل در نمونه اولیه آن، فقط دارای یک شهر بزرگ است و یک نوع حمل و نقل در آن وجود دارد و صرفه جویی ناشی از مقیاس نیز ندارد. افزون بر این، هدف اصلی او خود شهر نیست بلکه سازمان فضایی پیرامون آن است. با وجود نارسایی های آشکار نظریه فون تانن به عنوان چارچوبی برای سیاست مکانی، کار وی بسیاری از جغرافی دانان و اقتصاد دانان را به مطالعه در روند سازماندهی سکونت گاههای انسانی و ساختار سلسله مراتبی آن وا داشت.
عقاید "کریستالر" در مورد نظام سلسله مراتبی سکونت گاهها، بیشتر به اصول تجاری و حمل ونقل متکی است. "لوش" چشم انداز اقتصادی خود را در قالب نواحی تجاری متفاوت توصیف می کند. "کریستالر"، "لوش" و "گالپین" هر سه دیدگاهی جدید در مورد کارایی سلسله مراتب مراکز، عرضه کرده اند. به طور کلی تمام نظریه های مکان مرکزی بر چهار مبنا استوارند:
یکسانی چشم انداز فرهنگی و فیزیکی
قابلیت دسترسی یکسان مکان های مرکزی در تمام جهات
نواحی واحد نا محدود
رفتار منطقی مصرف کننده
مفاهیم کلیدی نظریه مکان مرکزی ، دامنه ی کالا و ارزش آستانه می باشد که به طور ضمنی به سلسله مراتب سکونت گاه ها و مرکزیت یک مکان ویژه دلالت می کنند و سلسله مراتب سکونت گاه ها به طور گسترده محصول دو عامل یاد شده است. به زبان کریستالر، سکونت گاه ها را می توان در سطح ملی ، به مکان های مرکزی "رده بالاتر"، "رده پایین تر"، "پایین ترین رده" و" مکانهای مرکزی معین" طبقه بندی کرد. آنگاه مرکزیت یک مکان، اهمیت نسبی خود را در رده بندی سلسله مراتب منعکس می کند.
( فنی ؛ 1375 : 39- 38)
2-3-2- نظریه قطب رشد ( پرو )
"هیرشمن"، "میردال" و "پرو" از نخستین کسانی بودند که کاربردهای مکانی و مفاهیم فضایی توسعه را مورد توجه قرار دادند و از این طریق میان مدل های رشد اقتصادی و توسعه منطقه ای پیوندی ایجاد نمودند. نظریه های هیرشمن و میردال شامل عناصری هستند که پرو آن را "قطب رشد" می نامد. اساسا در نظرات پرو، قطب های رشد شبیه به کارخانجات یا صنایعی هستند که نقش اساسی و استعداد رشد بسیار قوی داشته باشند. بیشترین پیچیدگی و ابهام در این نظریه از این واقعیت ناشی می شود که پرو، قطب رشد را به جای یک مکان جغرافیایی خاص، در یک فضای اقتصادی ذهنی مطلق می نگرد. وی رشد صنایع اساسی و پیشرفته را موتور محرک رشد اقتصاد ملی می داند. آنچه آشکارا در این نظریه نا دیده گرفته شده این واقعیت است که هر تأثیر تقویت کننده ای لزوماًدر یک منطقه معین عمل نمی کند و به راحتی ممکن است آثار گسترش محلی توسط آنچه فریدمن، "استعمار داخلی" می نامد به وسیله نیروهای اقتصادی دیگر از میان برود. باید روشن شود که مفهوم مورد نظر پرو ، در نهایت پایه بسیار ضعیفی برای سیاست مکانی است. نظریه های کم اعتباری که می کوشند، رشد اقتصادی را مثلا از طریق تاسیس تعدادی صنایع بزرگ در یک شهر، یا به کمک تامین خدمات غیر اساسی در مناطق روستایی برانگیزند و به عنوان راه حلی برای توسعه منطقه ای، مکرراًمورد استفاده برنامه ریزان قرار گرفته ولی کمتر موفق و کارساز بوده است. ( فنی ؛ 1375 : 40- 39)
2-3-3- نظریه عملکرد شهری در توسعه روستایی ( UFRD)
رویکرد«عملکردهای شهری در توسعه روستایی»(Urban Function in Rurl DevelopmentUFRD) با هدف افزودن ابعاد فضایی و مکانی به برنامهریزی منطقهای براساس فرضیه زیر بنا نهاده شده است که اگر:« دولتها در کشورهای در حال توسعه، میخواهند به رشد و توسعه در پهنه گستردهای دست یابند، باید از الگوی جغرافیایی پراکندهای در سرمایهگذاریها پیروی کنند». تمرکز سرمایهگذاریها در یک یا چند شهر بزرگ، به خودی خود، موجب توسعه در سایر مناطق، توسط فرایندهای رخنه به پائین نخواهد شد. بنابراین چنانچه هدف «دستیابی به توسعه اقتصادی همراه با برابری جغرافیایی و اجتماعی بیشتر در پهنه سرزمین » باشد، سرمایهگذاریها میباید به طریق « تمرکز غیر متمرکز » انجام گیرد. سرمایهگذاری « تمرکز غیر متمرکز » ایجاد یک نظام استقرار جمعیتی یکپارچه و مرتبط است . یک نظام اسکان سلسله مراتبی شکلیافته نه تنها بخش عمده ی خدمات و تسهیلات ضروری مورد نیاز در نواحی پیرامون را به منظور افزایش تولیدات کشاورزی و درآمد تامین میکند،بلکه میتواند وسایل پیوندهای اجتماعی و اداری، حمل و نقل و تجارت را که موجب تلفیق یک منطقه در اقتصاد خود بسنده و پایا میشود فراهم آورد. ( زبردست ؛ 1382 : 52 )
این رویکرد در بیش از ده کشور در حال توسعه ، تحت عناوین مختلفی که شرح داده می شود آزموده شده است : برنامهریزی سطح– بلوک (Block – Level planning )در هندوستان، تحلیل نظامهای اسکان در اندونزی ، تحلیل مراکز بازار در کنیا ، پرو و اکوادر، تحلیل مراکز رشد در غنا ، ملاوی و تایلند، برنامهریزی« عملکردهای شهری در توسعه روستایی » در فیلیپین ، بولیوی و ولتای علیا و تحلیل مکانمرکزی در کشورهای دیگر. آنطور که ذکر گردید رویکرد UFRDبه برنامهریزی منطقهای بر مفهوم یکپارچگی عملکرد - فضایی (Function- spatial integration) استوار است. این مفهوم بر این فرض استوار است که نظام سکونت گاه یکپارچه و شکلیافته مناسب با اندازهها و خصوصیات عملکردی متفاوت میتواند نقش مهمی در گسترش توسعه منطقهای داشته باشد. وجود یک نظام سکونت گاهی شکلیافته و یکپارچه که در آن خدمات و تسهیلات به طور مؤثر و کارآمد مکان یابی شده است و روستائیان دسترسی آسانی به آن داشته باشند، به عنوان یک عامل اساسی در تجاری کردن کشاورزی تلقی میشود . عدم وجود چنین نظام سکونت گاهی، به عقیده برخی نظریهپردازان، توسعه ی منطقهای مانع پیدایش الگوی متوازن رشد اقتصادی از نظر بخشی و جغرافیایی میشود. رویکرد UFRD علاوه بر مفهوم یکپارچهگی عملکردی – فضایی بر مفاهیم مکانهای مرکزی و مراکز خدمات با مفروضات زیز مبتنی است :
الف) سکونت گاهها با ابعاد و ویژگیهای عملکردی متفاوت ، به ویژه مراکز کوچکتر خدمات روستایی و بازار، نقش مهمی در توسعه روستایی و منطقهای داشته و میتوانند ایفاء کنند .
ب ) مکان های مرکزی نقش مهمی در توسعه اجتماعی و اقتصادی ایفاء میکنند . تعداد این مراکز ، توزیع جغرافیایی و خصوصیات عملکرد آنها عوامل مهمی در روند و شکلگیری توسعه منطقهای به شمار میآیند.
ج ) پیوند میان سکونت گاهها ، برای گسترش دسترسی به خدمات و تسهیلات واقع در مکان های مرکزی و بالا بردن تعامل اجتماعی ، سیاسی و کالبدی بین سکونتگاه های با اندازه و تخصص های متفاوت باید قوی باشد . ( زبردست ؛ 1382 : 3-2)
فرایند برنامهریزی و تحلیل فضایی در رویکرد UFRD :

—120

شکل (1-4) : تغذیه هم صفحه برای یک آنتن حلقویهمان طور که در شکل فوق مشاهده می کنید، اولین قسمت شامل یک خط انتقال مایکرواستریپی و یک خط تأخیری می باشد. که در واقع این قسمت به عنوان تغذیه ای برای بخش CPS می باشد. همان طور که در این شکل مشخص است، صفحه زمین تنها بر زیر بخش مایکرواستریپی قرار دارد. به عبارتی دیگر بخش CPS نیازی به صفحه زمین ندارد.
از آنجا که در روش فوق آنتن حلقوی تنها بر روی لایه ای از دی الکتریک (بدون صفحه زمین) قرار دارد، لذا این امر باعث کند کردن امواج الکترومغناطیسی شده و موجب می شود که آنتن از لحاظ الکتریکی بزرگتر به نظر برسد. با فرض اینکه ضریب دی الکتریک مؤثر زیر آنتن، میانگین ضریب دی الکتریک فضای آزاد و ضریب دی الکتریک زیرلایه باشد، آنگاه می توان طول موج مؤثر امواج الکترومغناطیسی را به صورت زیر محاسبه کرد.
λeff=λλ0 εr+12در تمامی تحلیل های فوق از تأثیر امواج سطحی صرف نظر شده است. در حالی که تأثیر این امواج را می توان از طریق کاهش εr و ضخامت دی الکتریک، کاهش داد.

فصل دومآشنایی با ساختارهای فرکتالی بهبود یافته با ابعاد کوچک2-1 مقدمه
در این فصل هدف بررسی استفاده از ساختارهای فرکتالی جهت کوچک کردن ابعاد آنتن می باشد اما لازم است به منظور درک بهتر ابتدا مروری مختصر بر روند تولید حلقه های فرکتالی در آنت های فرکتال داشته باشیم.
در این فصل ساختارهای فرکتالی حلقوی، دوقطبی و سه بعدی به طور مجزا مورد بررسی قرار می گیرند. در فصل سوم و چهارم با آنتن مایکرواستریپ، طراحی و شبیه سازی این آنتن با ذکر نتایج و مقایسه با کارهای انجام شده خواهیم پرداخت.
2-2 کوچک سازی آنتن مایکرو استریپ با استفاده از ساختارهای فرکتالیبه طور کلی به کارگیری ساختارهای فرکتالی در طراحی آنتن ها نه تنها باعث کوچک شدن ابعاد آنتن و بهبود امپدانس ورودی آنتن می گردد بلکه با استفاده از بعضی از ساختارهای فرکتالی آنتن ها این قابلیت را پیدا می کنند که در چندین باند فرکانسی عمل کنند. پس یکی از مزیت های اساسی استفاده از هندسه فرکتالی در آنتن ها قابلیت حداقل کردن ابعاد آنتن و افزایش نسبت سطح موثر آنتن به سطح واقعی آن می گردد. ساختارهای فرکتالی دارای یک روند تکرارشونده می باشند لذا می توان در یک حجم محدود به سطح و یا طول بسیار زیاد دست پیدا کنند که این خواص ذاتی هندسه های فرکتالی باعث ایجاد ویژگی های مناسبی در تشعشع کننده ها، منعکس کننده ها و آنتن ها می گردد که سبب می شود این ادوات عملکرد بهتری را در محیط انتشاری داشته باشند در این خصوص می توان به ساختارهای فرکتالی همچون درختی، هیلبرت، مینکوسکی و کخ اشاره کرد.
2-3 آنتن فرکتال حلقویبه طور کلی آنتن های حلقوی برای رسیدن به امپدانس ورودی مناسب به منظور تطبیق بهتر با سیستم تغذیه، نیاز به سطح مقطع بزرگ می باشند. یا به عبارتی دیگر آنتن های حلقوی ساده با سطح مقطع کوچک، دارای امپدانس ورودی کمی می باشند که این مشکلات زیادی را برای فراهم کردن شرایط تطبیق آنتن ایجاد می کند.
معمولاً از ساختارهای فرکتالی حلقوی جهت غلبه بر این مشکل استفاده می کنند. شکل (2-1) دو نمونه از ساختارهای فرکتالی حلقوی را نشان می دهد.

شکل (2-1) : دو نمونه از ساختارهای فرکتالی حلقوی، فرکتالی مینکوسکی و فرکتالی کخ [10]در شکل (2-1)، از دو ساختار فرکتالی حلقوی مینکوسکی و کخ استفاده شده است. مهمترین خاصیت هندسه های فرکتالی ذکر شده این است که در یک حجم محدود می توان به محیطی با طول نامحدود رسید. وجود این خاصیت در این ساختارها سبب می گردد تا آنتن هایی که از هندسه های فرکتالی فوق استفاده می کنند، دارای خواص تشعشعی بهتری باشند. برای مثال با افزایش طول آنتن می توان امپدانس ورودی حلقه را افزایش داد. این افزایش امپدانس ورودی، به آنتن کمک می کند تا بتواند بهتر با خط تغذیه ورودی تطبیق گردد.
در ادامه هر دو ساختار شکل (2-1) به طور جداگانه مورد بررسی قرار می گیرند.
2-3-1 آنتن فرکتال حلقوی کخ اولین آنتن فرکتالی حلقوی را که مورد بررسی قرار می دهیم، آنتن حلقوی کخ می باشد. برای طراحی آنتن فرکتالی کخ، همانند شکل (2-2) عمل می کنیم. همانگونه که در این شکل نشان داده شده است، حلقه اولیه در روند تولید ساختار کخ، یک مثلث می باشد. در مرحله بعدی هر کدام از اضلاع این مثلث با یک یک عملگر جایگزین می شود. در زیر شکل (2-2) جایگزینی یک ضلع با عملگر کخ نشان داده شده است. شکل (2-2) چهار تکرار اول در روند تولید ساختار کخ را نشان می دهد.

شکل (2-2) : روند تولید حلقه فرکتالی کخ برای چهار تکرار اول و عملگر کخ [10]با توجه به اینکه عملگر کخ، طول هر ضلع را به اندازه 13 مقدار اولیه اش افزایش می دهد، لذا در هر تکرار، طول محیط کل حلقه به اندازه 13 محیطش، افزایش می یابد.
در طراحی آنتن های فرکتالی حلقوی کخ معمولاً از چند تکرار اول حلقه استفاده می شود که در اینجا چهار تکرار اول حلقه فرکتالی کخ در نظر گرفته شده است، و نتایج آن با آنتن دایره ای مقایسه گردیده است. شکل (2-3) ابعاد این دو ساختار را با هم نشان می دهد. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، به ازای تمامی تکرارها همواره حلقه فرکتالی کخ در داخل حلقه دایره ای محاط می باشد. لذا سطح اشغالی حلقه دایروی همواره بزرگتر از سطح اشغالی توسط حلقه فرکتالی کخ می باشد. برای مثال سطح حلقه فرکتالی اشغال شده در تکرار چهارم به صورت زیر می باشد.
SKoch-loop=1+39+1281+48729+1926561×12 3 32r2=2.05r2 (1-2)در این حالت سطح حلقه دایروی برابر است با :
SKoch-loop=πr2 (2-2)لذا نسبت دو سطح برابر است با :
SKoch-loopScircl-loop=0.65 (3-2)لذا همان طور که رابطه (2-3) نشان می دهد، سطح اشغال شده توسط حلقه فرکتالی کخ پس از چهارمین تکرار، 35% کوچکتر از حلقه دایروی می باشد.

شکل (2-3) : مقایسه حلقه فرکتالی کخ در تکرار چهارم با حلقه دایروی [10]محیط فرکتالی پس از n امین تکرار به صورت زیر محاسبه می شود:
PKoch-loop=3343n (4-2)لذا برای تکرار چهارم محیط حلقه برابر است با :
PKoch-loop=16.42r (5-2)در تمامی این حالات حلقه دایروی دارای محیط زیر می باشد:
Pcircl-loop=2πr (6-2)لذا نسبت محیط حلقه کخ به محیط حلقه دایروی برابر است با :
PKoch-loopPcircl-loop=2.614 (7-2)در بخش های بعدی از این نسبت ها برای توضیح خواص تشعشعی آنتن فرکتالی کخ در مقایسه با آنتن دایروی استفاده می شود. در ادامه نتایج حاصل از اندازه گیری امپدانس ورودی آنتن و پترن راه دور را برای این دو ساختار، که توسط روش ممان به دست آمده است، با هم مقایسه می کنیم. امپدانس ورودی این دو آنتن در شکل (2-4) بر حسب محیط حلقه دایروی در طول موج، نشان داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، حلقه دایروی با محیطی برابر با 0.05λ دارای امپدانس ورودی 0.000004Ω می باشد، که این مقدار برای زمانی که حلقه دایروی دارای محیطی برابر 0.26λ باشد، به 1.17Ω افزایش می یابد. این نتایج در حالی است که حلقه فرکتالی کخ در همان گستره فرکانسی، دارای تغییرات امپدانسی ورودی بسیار بالاتری می باشد، یعنی تغییرات فرکانس از نقطه شروع تا انتها، امپدانس ورودی را در گستره (0.000015Ω تا 26.65Ω) تغییر می دهد. اختلال کوچکی که در شکل (2-4) مشاهده می کنید، به محدودیت های عددی موجود در روش ممان مربوط می شود.
در حالت کلی برای یک حلقه کوچک دایروی می توان مقاومت تشعشعی را از رابطه تقریبی زیر محاسبه کرد:
Rr≈31.171 S2λ4 (8-2)
شکل (2-4) : امپدانس ورودی برای دو آنتن حلقوی کخ و آنتن حلقوی دایره ای [10]پترن تشعشعی برای این دو آنتن حلقهای در شکل (2-5) نشان داده شده است. شکل (2-5-a) پترن تشعشعی را در دو صفحه XZ و YZ نشان می دهد و شکل (2-5-b) پترن تشعشعی را در صفحه XY نشان می دهد. باید توجه داشت که در تمامی این حالات آنتن در صفحه XY قرار دارد. سمت گرایی آنتن حلقوی دایره ای برابر با 1.63db می باشد. این در حالی است که برای آنتن حلقوی کخ، این مقدار به 1.53db تغییر می یابد. یک تقریب مرتبه اول برای محاسبه سمت گرایی آنتن حلقوی دایره ای کوچک، به صورت زیر می باشد.
D=4πUmaxP--=32=1.76db (9-2)
شکل (2-5) : پترن تشعشعی برای آنتن حلقوی کخ و آنتن حلقوی دایروی [10]که در عبارت فوق Umax حداکثر تشعشع و P-- کل توان تشعشعی می باشد. سطح مؤثر روزنه برای آنتن حلقوی دایره ای برابر است با :
Aem=λ24πD=0.119λ2 (10-2)با توجه به دو رابطه (2-9) و (2-10) ضریب بازده روزنه برای آنتن حلقوی دایره ای برابر است با :
AemS=0.119λ2π0.0414λ2=22.12 (11-2)این مقادیر بیانگر این است که، سطح مؤثر آنتن دایروی 12/22 برابر بزرگتر از سطح واقعی آن می باشد. برای آنتن فرکتالی کخ ضریب بازدهی روزنه و سطح مؤثر آنتن برابر است با :
Aem=λ24πD=0.113λ2 (12-2)AemS=0.113λ22.050.0414λ2=32.21 (13-2)با توجه به مطالب فوق، ضریب بازدهی روزنه برای آنتن فرکتال کخ 5/1 برابر آنتن حلقوی دایره ای متناظر با آن می باشد، لذا برای رسیدن به گین یکسان برای این دو آنتن، به سطح مقطع کوچکتری در آنتن های فرکتالی در مقایسه با آنتن های حلقوی ساده نیاز می باشد.
با توجه به اینکه پترن تشعشعی برای آنتن حلقوی کوچک همانند آنتن دوقطبی (مغناطیسی) می باشد، لذا در صورتی که محیط حلقه از 0.5λ افزایش یابد با پدیده ایجاد گلبرگ فرعی در پترن تشعشعی آنتن مواجه خواهیم شد.
2-3-2 آنتن فرکتال حلقوی مینکوسکییکی دیگر از آنتن های فرکتالی حلقوی رایج، آنتن مینکوسکی می باشد. در این بخش ضمن بررسی ساختار این آنتن، از طریق مقایسه این آنتن با آنتن مربعی متناظرش، به تفصیر خواص آن می پردازیم. شکل (2-6) آنتن حلقوی مینکوسکی را در چهار تکرار اول نشان می دهد. علاوه بر این در این شکل می توانید عملگر تولید ساختار فرکتالی مینکوسکی را نیز مشاهده کنید. تفاوت اصلی بین ساختار فرکتالی مینکوسکی با ساختار کخ در نوع حلقه ابتدایی آنها می باشد، به طوری که حلقه ابتدایی در ساختار مینکوسکی یک مربع، و در ساختار کخ یک مثلث می باشد.

شکل (2-6) : روند تولید حلقه فرکتالی مینکوسکی برای چهار تکرار اول و عملگر مینکوسکی [10]در عملگر مینکوسکی، طول دو جزء اول و آخر و جزء میانی، هر کدام برابر 13 طول عنصر اولیه می باشند و طول دو جزء دیگر عملگر بسته به کاربرد ساختار، متغیر بوده و به آنها عرض فرورفتگی می گویند.
تغییر عرض فرورفتگی، باعث ایجاد تغییر در ابعاد شکل فرکتالی منتجه شده که این خود باعث تغییر خواص آنتن فرکتالی میشود. به عنوان مثال، افزایش عرض فرورفتگی باعث افزایش ابعاد فرکتال میگردد که نتیجه آن افزایش امپدانس ورودی آنتن میباشد. در ادامه این بخش ابتدا، مقایسهای بین تغییرات فرکانس رزنانس آنتن فرکتالی مینکوسکی و آنتن مربعی خواهیم داشت.
برای این منظور پارامتر فاکتور مقیاس را معرفی می کنیم. این پارامتر معیاری برای مقایسه فرکانس رزنانس آنتن فرکتالی، با آنتن مربعی با عرض λ4 می باشد. شکل (2-7) نتایج مقایسه این دو حلقه را در تکرارهای مختلف و عرض فرورفتگی مختلف، برای فاکتور مقیاس نشان می دهد.

شکل (2-7) : تغییرات فاکتور مقیاس برای تکرارها و عرض فرورفتگی های مختلف آنتن مینکوسکی [10]همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، با افزایش عرض فروروفتگی، تغییرات فرکانس رزنانس مینکوسکی افزایش می یابد. که این نتیجه افزایش طول ساختار فرکتالی، بر اثر افزایش عرض فرورفتگی می باشد.
شکل (2-8) پترن تشعشعی را برای آنتنهای فرکتالی مینکوسکی با درجات تکرار و عرضهای فرورفتگی مختلف نشان می دهد. با توجه به اینکه آنتن ها در صفحه XZ قرار دارند، پترن تشعشعی در صفحه YZ رسم شده است. نتایج حاصل از اندازه گیری سمت گرایی آنتن حلقوی در جدول (2-1) آمده است. همان گونه که در این جدول مشاهده می کنید، سمت گرایی آنتن حلقوی، پس از فرکتالی شدن کاهش ناچیزی پیدا می کند و این در حالی است که ضریب بهره روزنه به شدت افزایش می یابد. یا به عبارتی دیگر، برای رسیدن به سطح مؤثر مشخص، در ساختار فرکتالی نیاز به سطح واقعی بسیار کمتری نسبت به حلقه مربعی، می باشد. برای مثال برای یک حلقه مربعی ساده ضریب بهره روزنه 254/2 می باشد در حالی که برای حلقه فرکتالی مینکوسکی در تکرار دوم و عرض فرورفتگی 9/0 ، ضریب بهره روزنه برابر با 59/11 می باشد. مقایسه سمت گرایی این دو آنتن نیز، تلفات سمت گرایی 1.28db را برای آنتن فرکتالی، در مقایسه با آنتن مربعی نشان می دهد. اگرچه کاهش سمت گرایی نامطلوب می باشد، اما از آنجا که سطح اشغالی آنتن پس از فرکتالی شدن 7 برابر کمتر شده است، این مقدار کاهش سمت گرایی قابل اغماض می باشد.

شکل (2-8) : پترن تشعشعی آنتن فرکتالی مینکوسکی با درجات تکرار و عرض های فرورفتگی مختلف [10]جدول (2-1) : سمت گرایی و سطح مؤثر آنتن های فرکتالی مینکوسکی با درجات تکرار و عرض های فرورفتگی مختلف [10]Indentation Iteration Width Area D0 (dB)AemAemS0.200 1 0.2680 λ0.0654λ23.21 0.1666λ22.547
2 0.2640 λ0.06005λ23.12 0.1632λ22.718
0.333 1 0.2543 λ0.05510λ23.02 0.1595λ22.895
2 0.2462 λ0.04665λ22.87 0.1541λ23.303
0.500 1 0.2379 λ0.04400λ22.82 0.1523λ23.462
2 0.2240 λ0.03284λ22.61 0.1451λ24.420
0.666 1 0.2222 λ0.03477λ22.66 0.1468λ24.223
2 0.2025 λ0.02212λ22.40 0.1383λ26.252
0.800 1 0.2097 λ0.02833λ22.56 0.1435λ25.064
2 0.1862 λ0.01549λ22.27 0.1342λ28.662
0.900 1 0.2010 λ0.2423λ22.51 0.1418λ25.853
2 0.1731 λ0.01132λ22.17 0.1312λ211.59
Square 0 0.2795 λ0.07812λ23.45 0.1761λ22.254
شکل (2-9) و شکل (2-10) آنتن های طراحی شده فوق را برای دو حالت تغذیه در حضور صفحه زمین و تغذیه هم صفحه نشان می دهند.

شکل (2-9) : آنتن های حلقوی فرکتالی مینکوسکی و حلقوی مربعی در حضور صفحه زمین [10]
شکل (2-10) : آنتن های حلقوی فرکتالی مینکوسکی و حلقوی مربعی با تغذیه هم صفحه [10]نتایج حاصل از اندازه گیری تلفات بازگشتی برای آنتن های شکل (2-9)، در شکل (2-11) نشان داده شده است. در این شکل امپدانس مرجع برابر با 50Ω می باشد. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، فرکانس رزونانس تقریباً ثابت نگه داشته شده است، اما در این حالت سطح اشغالی توسط آنتن فرکتالی بسیار پایین تر از آنتن مربعی می باشد. شکل (2-12) پترن تشعشعی این دو آنتن را نشان می دهد. این پترن، پترن صفحه عمود بر آنتن می باشد. نتایج اندازه گیری برای ساختارهای نشان داده شده در شکل (2-10)، بسیار شبیه به نتایج به دست آمده برای ساختارهای شکل (2-9) می باشد.
2-4 آنتن های سه بعدی درختیدر اینجا ضمن بررسی ساختارهای درختی سه بعدی، با چندین رابطه مهم بین خواص تشعشعی این آنتن ها و ساختار اصلی آنها، آشنا می شویم. بدون شک توجه به این روابط، ما را در طراحی صحیح این آنتن ها برای کاربرد مورد نظر، کمک می کند. در ادامه این بخش با چندین مثال از کاربردهای آنتن های درختی سه بعدی، به منظور کوچک کردن ابعاد آنتن های دو قطبی و تک قطبی آشنا می شویم. برای مثال درک نمونه از آنتن های دوقطبی درختی سه بعدی که در این بخش معرفی می گردد، کاهش 57% در ابعاد آنتن و افزایش 70% در پهنای باند را داریم.
2-4-1 مولد ساختار فرکتالی درختیاز آنجا که فرکتال ها ساختارهای خود متشابهی می باشند، لذا به منظور تولید آنها نیاز به تکرار یک مولد می باشد. برای یک ساختار درختی، مولد به صورت اتصالی از چند شاخه کوچک که به بچه شاخه ها معروف می باشند، تشکیل شده است. این شاخه ها از تقسیم یک شاخه اصلی که به شاخه والد معروف می باشد، بدست می آیند.
به طور کلی سه خانواده مختلف آنتن های فرکتالی سه بعدی درختی به منظور ایجاد یک دوقطبی مورد استفاده قرار می گیرند. این سه خانواده مختلف، آنتن های درختی 4 شاخه ای، آنتن های درختی 6 شاخه ای و آنتن های درختی 8 شاخه ای می باشند. به طور کلی آنتن های 4 شاخه ای در این بخش به عنوان یک معیار برای مقایسه آنتن های 6 شاخه ای و 8 شاخه ای مورد استفاده قرار می گیرند. ساختار کلی یک آنتن 4 شاخه ای در چهار تکرار اول آن در شکل (4-1) نشان داده شده است. در جدول (4-1) نیز پارامترهای تولید، برای یک آنتن درختی 4 شاخه ای داده شده است.

شکل (2-11) : چهار تکرار اول برای آنتن های درختی 4 شاخه ایجدول (2-2) : پارامترهای طراحی آنتن درختی 4 شاخه ایRotation Elevation Scale Branch
0°30°0.5 1
90°30°0.5 2
180°30°0.5 3
270°30°0.5 4
براساس پارامترهای داده شده در جدول فوق، مولدهای ساختاری آنتن های درختی 4 شاخهای دارای خواص زیر می باشند. اول اینکه بچه شاخه ها از نظر طول به اندازه نصف شاخه های مولد والد می باشند. دوم اینکه بچه شاخه ها دارای زاویه 30 درجه می باشند. همچنین تمامی بچه شاخهها دارای زاویه 90 درجه نسبت به هم می باشند. برای آنتن های درختی 6 شاخهای زاویه بین بچه شاخهها به 60 درجه و برای آنتنهای درختی 8 شاخهای، زاویه بین بچه شاخهها به 45 درجه کاهش مییابد. جدول (4-2) پارامترهای طراحی را برای آنتن 6 شاخهای و 8 شاخهای را نشان می دهد.
در ادامه این بخش به مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی پارامترهای آنتن 6 شاخه ای و 8 شاخه ای با آنتن 4 شاخه ای می پردازیم. نکته قابل توجه در این مقایسه، یکسان بودن فاصله منبع تا راس برای تمامی آنتن ها می باشد، که این مقدار برابر با cm 5/7 انتخاب شده است. نکته دوم در این مقایسه این است که تمامی آنتن ها از مرکز تغذیه می شوند. با توجه به فرضیات فوق، نتایج حاصل از شبیه سازی برای تلفات بازگشتی آنتن های 8 شاخه ای و 6 شاخه ای برای دو تکرار اول، به همراه چهار تکرار اول آنتن 4 شاخه ای، تماماً در شکل (4-2) نشان داده شده است.
نتایج نشان داده شده در این شکل نشان می دهد که در تمامی آنتن ها با افزایش درجه تکرار، فرکانس های رزنانس کاهش می یابند.
جدول (2-3) : پارامترهای طراحی آنتن درختی 6 شاخه ای و 8 شاخه ای8- Branch Class 6- Branch Class
Rotation
(Ф)Elevation
(θ)Scale Branch Rotation
(Ф)Elevation
(θ)Scale Branch
0°30°0.5 1 0°30°0.5 1
45°30°0.5 2 60°30°0.5 2
90°30°0.5 3 120°30°0.5 3
135°30°0.5 4 180°30°0.5 4
180°30°0.5 5 240°30°0.5 5
225°30°0.5 6 300°30°0.5 6
270°30°0.5 7 315°30°0.5 8
شکل (2-12) : مقایسه پارامتر S11 برای آنتن های 4 شاخه ای، 6 شاخه ای و 8 شاخه ایاز طرفی دیگر نتایج نشان میدهد که آنتن 6 شاخهای دارای فرکانسهایی به اندازه MHz 100 از آنتن 4 شاخهای بوده و این در حالی است که آنتن 8 شاخهای دارای فرکانسهایی به اندازه MHz150 پایین تر از آنتن 4 شاخهای می باشد.
نکته قابل توجه دیگر این است که برای آنتن های 6 شاخه ای و 8 شاخه ای تکرار سوم وجود ندارد. که این بدلیل تقاطع بچه شاخه ها در تکرار سوم این آنتن می باشد. اما با این حال آنتن های 6 و 8 شاخه ای در تکرارهای پایین، نسبت به تکرار های بالای آنتن های 4 شاخه ای عملکرد بهتری دارند، یا به عبارتی دیگر ساختارهای 6 و 8 شاخه ای در تکرارهای پایین، نسبت به تکرارهای بالای آنتن های 4 شاخه ای عملکرد بهتری دارند، یا به عبارتی دیگر ساختارهای 6 و 8 شاخه ای در تکرارهای پایین، قابلیت فشرده سازی بیشتری را برای آنتن، در مقایسه با ساختارهای 4 شاخه ای فراهم می کنند. از طرفی دیگر بدلیل کمتر بودن تعداد اتصالات در آنتن های 6 و 8 شاخه ای در تکرارهای پایین، نسبت به آنتن های 4 شاخه ای در تکرارهای بالا، ساخت آنتن های 6 و 8 شاخه ای راحت تر می باشد.
علیرغم پیچیدگی آنتن های فرکتالی درختی سه بعدی، پترن آنها به پترن آنتن دوقطبی معمولی بسیار نزدیک می باشد. شکل (4-3) مقایسه ای را بین پترن تشعشعی برای آنتن های درختی 4، 6 و 8 شاخه ای با آنتن دوقطبی معمولی نشان می دهد. پلاریزاسیون تداخلی برای پترن تشعشعی این آنتنها بسیار ناچیز(کمتر از dB150-) می باشد.

شکل (2-13) : پترن تشعشعی برای آنتن های درختی 4، 6 و 8 شاخه ای2-4-2 مولد ساختار فرکتالی درختی با زاویه متغیردر این قسمت هدف بررسی تأثیر تغییرات زاویه بین شاخه ای θ بر روی خواص تشعشعی آنتن های 4 شاخه ای در تکرار دوم و سوم می باشد. در این آنتن ها زاویه بین شاخه ای از 10 تا 90 درجه در تغییر است. در این حالت سایر پارامترهای طراحی برای این آنتن ثابت در نظر گرفته می شود. شکل (2-14) ساختار چند نمونه از این آنتن ها را نشان می دهد. جدول (2-4) نیز پارامترهای طراحی را برای ساختارهای شکل (2-14) نشان می دهد.
نتایج حاصل از شبیه سازی نسبت موج ایستان (VSWR) برای آنتن 4 شاخه ای برای تکرارهای دوم و سوم، به ازای مقادیر مختلف زاویه بین شاخه ای، در شکل (2-15) نشان داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، تغییرات نسبت موج ایستان برای این آنتن به ازای فرکانس های مختلف، روند یکسانی ندارد. به عبارتی دیگر در زاویه بین شاخه ای نزدیک 50 درجه، روند تغییر فرکانس به منظور افزایش VSWR، تغییر می کند.
پترن تشعشعی برای آنتن ها نسبت به تغییرات زاویه بین شاخه ای، ثابت بوده و شبیه شکل (2-13) می باشد.

شکل (2-14) : آنتن 4 شاخه ای در تکرار سوم، برای چند زاویه بین شاخه ای متغیرجدول (2-4) : پارامترهای طراحی برای آنتن 4 شاخه ای در تکرار سوم94869075565Rotation
(Ф)Elevation
(θ)Scale Branch
0°10°→90°0.5 1
90°10°→90°0.5 2
180°10°→90°0.5 3
270°10°→90°0.5
4
00Rotation
(Ф)Elevation
(θ)Scale Branch
0°10°→90°0.5 1
90°10°→90°0.5 2
180°10°→90°0.5 3
270°10°→90°0.5
4

شکل (2-15) : نسبت موج ایستان برای آنتن 4 شاخهای برای تکرارهای دوم و سوم برای زوایای بین شاخهای مختلف2-4-3 ساختارهای فرکتالی درختی مرکبهمان طور که در قبل مشاهده کردیم، آنتن درختی 8 شاخه ای، در حالت عادی تکرارهای سوم و بالاتر را دارا نمی باشد. برای رفع این مشکل معمولاً از یک سری تغییرات بر روی مولد ساختار 8 شاخه ای استفاده می شود.
یک نمونه از آنتنهایی که برای رفع این مشکل مورد استفاده قرار میگیرند. آنتنهای مرکب میباشند که در ادامه مورد بررسی قرار میگیرند. شکل (2-16) آنتن درختی 8 شاخهای مرکب را برای سه تکرار اول نشان میدهد. جدول (2-4) پارامترهای طراحی را برای آنتن درختی 8 شاخهای مرکب، نشان میدهد. در این آنتن، برخلاف آنتن 8 شاخهای بخش قبل، طول تمامی بچه شاخهها برابر نمیباشد، بلکه بچه شاخهها در زوایای (0 و 90 و 180 و 270 درجه) دارای طولی برابر با نصف طول شاخه والد بوده و بچه شاخهها در زوایای (45 و 135 و 225 و 315 درجه) دارای طولی برابر با 4/0 طول شاخه والد میباشند. لذا در ساختار 8 شاخهای مرکب، آنتن، ترکیبی از بچه شاخهها با طولهای نابرابر میباشد. سایر پارامترهای طراحی برای آنتن 8 شاخهای مرکب مانند آنتن 8 شاخهای در بخش قبل میباشد. نتایج حاصل از شبیه سازی برای پارامتر S11 آنتن 8 شاخه ای مرکب در شکل (2-17) نشان داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، در این آنتن یک کاهش در فرکانس های رزونانس در مقایسه با آنتن 4 و 6 شاخه ای متناظر، دیده می شود. پترن تشعشعی برای آنتن 8 شاخه ای مرکب نیز همانند دو قطبی معمولی می باشد.

شکل (2-16) : آنتن درختی 8 شاخه ای مرکب، برای سه تکرار اولجدول (2-5) : پارامترهای طراحی برای آنتن درختی 8 شاخه ای مرکبRotation(Ф)Elevation(θ)Scale
Branch
0°30°0.5 1
45°30°0.4 2
90°30°0.5 3
135°30°0.4 4
180°30°0.5 5
225°30°0.4 6
270°30°0.5 7
315°30°0.4 8

شکل (2-17) : نتایج حاصل از شبیه سازی برابر پارامتر S11 آنتن 8 شاخه ای مرکب2-4-4 آنتن های درختی با شاخه مرکزیدر این بخش با نمونهای از آنتنهای درختی آشنا میشویم که در آنها به منظور افزایش چگالی شاخههای مرکزی استفاده شده است. استفاده از شاخه مرکزی باعث کاهش فرکانس رزنانس در آنتنهای درختی میگردد. در این بخش دو ساختار فرکتالی درختی با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی با هم مقایسه میشوند. در این حالت آنتن درختی انتخاب شده، آنتن 4 شاخهای می باشد. ساختار کلی این آنتنها در شکل (2-18) نشان داده شده است و پارامترهای طراحی این آنتن در جدول (2-5) آمده است. مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی برای آنتن درختی با شاخه مرکزی، یک جابجایی فرکانسی منفی را برای فرکانسهای رزنانس، در مقایسه با آنتن درختی بدون شاخه مرکزی نشان میدهد. البته میزان تلفات بازگشتی برای آنتن درختی با شاخه مرکزی، به مقدار ناچیزی افزایش یافته است. این نتایج را در شکل (2-19) مشاهده میکنید. براساس نتایج داده شده در این شکل، میزان کاهش فرکانس برای آنتن درختی با شاخه مرکزی برابر با MHz60، و میزان افزایش پارامتر S11 نیز برابر با dB1 تا dB3 میباشد. پترن تشعشعی برای آنتن ها نیز شبیه به آنتنهای دوقطبی ساده میباشد.
جدول (2-6) : پارامترهای طراحی آنتن 4 شاخه ای درختی، با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی8- Branch, 45° Tree with Center stub 4- Branch,45° Tree
Rotation
(Ф)Elevation
(θ)Scale Branch Rotation
(Ф)Elevation
(θ)Scale Branch
45°45°0.5 1 45°45°0.5 1
135°45°0.5 2 135°45°0.5 2
225°45°0.5 3 225°45°0.5 3
315°45°0.5 4 315°45°0.5 4
45°0°0.5 5
شکل (2-18) : آنتن های درختی 4 شاخه ای با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی
شکل (2-19) : نتایج حاصل از شبیه سازی برای پارامتر S11 آنتن 4 شاخه ای با شاخه مرکزی و بدون شاخه مرکزی2-4-5 آنتن درختی تک قطبی با بارگزاری راکتیودر این بخش به بررسی آنتن هایی می پردازیم که با استفاده از بارگزاری راکتیو در آنها امکان ایجاد چندین فرکانس رزنانس فراهم می شود. این بار راکتیو به صورت اتصال باز برای بازه ای از فرکانس و به صورت اتصال کوتاه برای بازه دیگری از فرکانس عمل می کند. که این ویژگی سبب می گردد که این آنتن ها بتوانند به صورت خود ساخته، طول الکتریکی خود را تغییر دهند. استفاده از نظریه فوق برای ساختارهای فرکتالی درختی باعث ایجاد آنتنی می شود که نه تنها در بیش از یک فرکانس رزنانس می کند، بلکه از لحاظ ابعاد نیز کوچک می باشد.
اولین ساختاری که در این بخش مورد بررسی قرار می گیرد، ساختار درختی 4 شاخه ای می باشد که بر روی شاخه اصلی آن یک اتصال LC موازی قرار دارد. در این حالت در فرکانس های پایین به دلیل اتصال کوتاه شدن مدار LC موازی، طول آنتن برابر طول یک آنتن درختی 4 شاخه ای ساده می باشد و این در حالی است که برای فرکانس های بالا به دلیل اتصال باز شدن مدار LC موازی، طول آنتن تنها برابر با طول شاخه اصلی آنتن درختی 4 شاخه ای می باشد. با توجه به توضیحات فوق این آنتن درای کاری می باشد. به منظور ایجاد آنتن سه بانده می توان از دو اتصال LC موازی، به صورت سری نسبت به هم بر روی شاخه اصلی استفاده کرد. شکل (2-20) ساختار کلی آنتن 4 شاخه ای درجه سوم را برای بارگزاری راکتیو، در دو حالت دو بانده و سه بانده نشان می دهد. جدول (2-7) نیز محل قرار گرفتن بارها را نشان می دهد.


مقادیر S11 برای این ساختارها در شکل (2-21) نشان داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، استفاده از المان بارگزاری، علاوه بر ایجاد آنتن چند بانده باعث ایجاد کاهش در فرکانس رزنانس نیز می گردد. که این خود یکی دیگر از امتیازات استفاده از این ساختار نسبت به آنتن درختی معمولی می باشد.
شکل (2-22) پترن تشعشعی را برای تمامی فرکانس های رزنانس در آنتن های 4 شاخه ای تک بانده، دوبانده و سه بانده نشان می دهد. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید پترن تشعشعی برای آنتن بدون بارگزاری در فرکانس رزنانس MHz910 تنها دارای یک گلبرگ اصلی می باشد. فرکانس رزنانس دوم در این آنتن، که ناشی از مد رزنانسی دوم می باشد، برابر با MHz6100 بوده و پترن آن دارای دو گلبرگ اصلی می باشد. برای آنتن درختی با یک المان بارگزاری اولین فرکانس های رزنانس برابر با MHz 800 و MHz2460 می باشند که پترن تشعشعی برای این دو فرکانس بسیار به هم نزدیک می باشند. دومین فرکانس رزنانس آنتن درختی با یک المان بارگزاری نیز برابر با MHz 5240 می باشند. پترن تشعشعی برای این سه فرکانس بسیار به هم نزدیک می باشند.
در ادامه به بررسی یک آنتن تک قطبی 4 شاخه ای با زاویه θ=45° در تکرار سوم می پردازیم. در این ساختار از اتصالات LC سری، برای بارگزاری آنتن استفاده شده است. نکته قابل توجه در این ساختار این است که اتصالات سری LC می توانند بر روی هر دو نوع شاخه اصلی و یا بچه شاخه قرار گیرند. بطور کلی قابلیت قرارگیری کلیدهای LC بر روی قسمت های مختلف ساختار درختی، باعث ایجاد درجات آزادی زیادی در طراحی این آنتن ها می شود. در واقع به هنگامی که المان LC بر روی شاخه اصلی قرار دارد، فرکانس های رزنانس آنتن چند بانده در فاصله زیادی نسبت به هم قرار دارند.

شکل (2-20) : آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده، در دو حالت دو بانده و سه باندهجدول (2-7) : پارامترهای طراحی آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده، در دو حالت دوبانده و سه باندهDual- band Loaded Fractal Tree Monopole Antenna
C L Distance
From Ground Plane Branch
Length Position
Configuration Load
#
0.5pF 10nH 1.95 cm 2 cm Base Parallel 1
Tri- band Loaded Fractal Tree Monopole Antenna
C L Distance
From Ground Plane Branch
Length Position
Configuration Load
#
0.5pF 10nH 1.95 cm 2 cm Base Parallel 1
50nF 50μH 1.65 cm 2 cm Base Parallel 2

شکل (2-21) : پارامتر S11 آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شده
شکل (2-22) : پترن تشعشعی آنتن 4 شاخه ای درجه سوم بارگزاری شدهعلت این اثر نیز، اختلاف زیاد طول الکتریکی آنتن برای فرکانس های رزنانس مختلف می باشد. به همین ترتیب، با قراردادن المان LC بر روی شاخه فرعی، این امکان به طراح داده می شود که بسته به نیاز خود فاصله بین باندهای مختلف آنتن چند بانده درختی را کاهش دهد. ساختار کلی آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با المان های LC سری، در شکل (2-23) نشان داده شده اند. جدول (2-7) نیز پارامترهای طراحی را برای این آنتن نشان می دهد.
نتایج شبیه سازی، وجود سه فرکانس رزنانس MHz330 و MHz 800 و MHz2220 را برای این آنتن نشان می دهد. که این نتایج در شکل (2-24) نشان داده شده است. در این آنتن از یک شبکه تطبیق به منظور ایجاد تطبیق در تمامی فرکانس ها استفاده شده است. ساختار کلی این شبکه در شکل (2-25) نشان داده شده است. جهت کسب اطلاعات بیشتر در خصوص نحوه انتخاب این شبکه می توانید به مرجع مراجعه کنید. در نهایت نیز پترن تشعشعی برای این آنتن در شکل (4-26) نشان داده شده است. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید پترن تشعشعی در هر سه فرکانس رزنانس این آنتن دارای یک گلبرگ می باشد.

شکل (2-23) : ساختار آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سریجدول (2-8) : پارامترهای طراحی آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سریLoaded Tri- band Center Stubbed Fractal Tree Monopole Antenna
C L Distance
From Base
Of Branch Branch
Length Position Configuration Load
#
50nF 50nH 0.1 cm 1 cm Center Stub 1st Stage Series 1
5nF 600nH 0.9 cm 1 cm Outer branch
1st Stage Series 2
5nF 600nH 0.9 cm 1 cm Outer branch
1st Stage Series 3
5nF 600nH 0.9 cm 1 cm Outer branch
1st Stage Series 4
5nF 600nH 0.9 cm 1 cm Outer branch
1st Stage Series 5

شکل (2-24) : پارامتر S11 آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری
شکل (2-25) : شبکه تطبیق برای آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سری
شکل (2-26) : پترن تشعشعی برای آنتن 4 شاخه ای بارگزاری شده با 5 المان LC سریتا اینجا با چند نمونه از آنتن های درختی سه بعدی آشنا شدیم. استفاده اصلی این ساختارها جهت کوچک کردن ابعاد آنتن های دوقطبی و یا تک قطبی می باشد. در ادامه این فصل با ساختارهای فرکتالی سه بعدی هیلبرت آشنا می شویم.
2-5- آنتن های سه بعدی هیلبرتدر این بخش با یکی دیگر از آنتن های فرکتالی سه بعدی آشنا می شویم. ویژگی اصلی این آنتن ها وجود گین قابل قبول برای باندهای مختلف می باشد. پهنای باند امپدانسی برای این ساختارها به اندازه ای می باشد که می توان از آن ها جهت پوشش سیستم های DCS و PCS و UMTS استفاده نمود. در این بخش با دو نمونه از ساختارهای سه بعدی هیلبرت آشنا می شویم. که ضمن بررسی خواص آنها با نتایج حاصل از شبیه سازی و اندازه گیری این ساختارها نیز آشنا می شویم.
2-5-1 ساختارهای هیلبرت سه بعدی معمولی
اولین ساختار هیلبرتی که مورد بررسی قرار می دهیم، ساختار هیلبرت معمولی می باشد. نمای کلی این آنتن ها در تکرارهای اول، دوم و سوم در شکل (2-27) نشان داده شده است. این آنتن ها دارای ضخامت mm 2/0 و عرض mm 10 و mm 5 و mm5/2 به ترتیب برای تکرارهای اول، دوم و سوم می باشند. از طرفی دیگر اندازه طول هر المان آنتن سه بعدی هیلبرت در شکل (2-27)، یعنی پارامترهای L1 , L2, L3، برابر با mm10 و mm20 و mm40 می باشد و عرض هر المان نیز (W1,W2,W3)، برابر با mm5/2 و mm 5 و mm10 می باشد. این آنتن ها در ارتفاع mm3 از صفحه زمینی با ابعاد mm70 mm ×70 قرار گرفته اند.
تغذیه این آنتن ها نیز از طریق یک کابل هم محور در فاصله mm5/2 از ابتدای بازوهای آزاد برای تکرار اول و دوم و در فاصله mm 5/1 برای تکرار سوم، فراهم می شود. همان طور که در شکل (2-27) نشان داده شده است، آنتن فرکتالی سه بعدی هیلبرت در تکرار سوم در دو حالت مورد بررسی قرار گرفته است. در حالت اول آنتن در فضای آزاد قرار دارد و در حالت دوم آنتن در داخل یک استوانه دی الکتریک قرار گرفته است. در ادامه نتایج حاصل از شبیه سازی این دو آنتن مورد بررسی قرار می گیرد.
2-5-1-1 آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در فضای آزادشکل (2-28) نتایج حاصل از شبیه سازی پارامتر S11، را برای این آنتن را در تکرارهای مختلف نشان می دهد.

شکل (2-27) : آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در سه تکرار اول
شکل (2-28) : پارامتر S11 برای آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در سه تکرار اولبراساس آنچه در شکل (2-28) مشاهده میکنید، تعداد فرکانسهای رزنانس برای آنتن هیلبرت معمولی با افزایش درجات تکرار افزایش مییابد. نکته قابل توجه در این شکل این است که فرکانسهای رزنانس در این آنتن همانند آنتن سرپینسکی، متناوب لگاریتمی نمیباشند. شکل (2-29) نیز پترن تشعشعی را برای این آنتن در فرکانس GHz 5 در تکرارهای مختلف نشان می دهد. در این حالت گین آنتن برای تکرارهای اول، دوم، و سوم به ترتیب برابر با 3dBi و 7dBi و 6dBi می باشد. همان طور که در شکل (2-29) مشاهده می کنید، آنتن هیلبرت معمولی دارای پترن نامتقارن می باشد که این ویژگی به دلیل خاصیت نامتقادن ساختار آنتن هیلبرت می باشد. نکته دوم اینکه، با توجه به شکل (2-28) این آنتن دارای تلفات بازگشتی زیادی در اغلب باندهای رزنانسی می باشد. یک راه حل ساده برای رفع این مشکل استفاده از آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در داخل استوانه دی الکتریک، می باشد، که در ادامه مورد بررسی قرار می گیرند.

شکل (2-29) : پترن تشعشعی برای آنتن هیلبرت معمولی در فرکانس GHz5، برای تکرار اول (a) و برای تکرار دوم (b) و برای تکرار سوم (c)2-5-1-2 آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در داخل استوانه دی الکتریکهمان طور که اشاره شد، هدف از استفاده آنتن هیلبرت معمولی در داخل استوانه دی الکتریک، کاهش تلفات بازگشتی می باشد. در این بخش نتایج حاصل از بررسی آنتن هیلبرت معمولی در تکرار سوم را، که در داخل یک استوانه ای از دی الکتریک قرار دارد مورد بررسی قرار می دهیم. ضرایب دی الکتریک برای ماده داخل استوانه دو مقدار 07/1 و 25/2 انتخاب شده است. شکل (2-30) نتایج حاصل از شبیه سازی این آنتن ها را نشان می دهد. همان طور که در این شکل مشاهده می کنید، هنگامی که استوانه دارای ضریب دی الکتریک 07/1 می باشد، عملکرد آنتن در فرکانس های پایین مانند حالت فضای آزاد می باشد. این درحالی است که برای استوانه دارای ضریب دی الکتریک 25/2، آنتن باند فرکانسی بالای خود را در فضای آزاد از دست خواهد داد و به جای آن در فرکانس های پایین دارای دو باند می گردد.

شکل (2-30) : پارامتر S11 برای آنتن هیلبرت سه بعدی معمولی در تکرار سوم در فضای آزاد و محیط دی الکتریک2-5-2 آنتن هیلبرت سه بعدی معکوسیکی دیگر از ساختارهای هیلبرت سه بعدی، آنتن های هیلبرت معکوس می باشند، که نمای کلی آنها در شکل (2-31) نشان داده شده است. در این ساختارها بدلیل تقارن آنتن و قرار گرفتن محل تغذیه در مرکز، پترن تشعشعی این آنتن ها در مقایسه با آنتن های هیلبرت معمولی دارای کیفیت بهتری می باشد. نتایج حاصل از شبیه سازی این آنتن ها برای سه تکرار اول در شکل (2-32) نشان داده شده است. شکل (2-33) نیز پترن تشعشعی برای این آنتن در سه تکرار اول نشان می دهد. با توجه به این نتایج، گین بدست آمده برای این آنتن در سه تکرار اول به ترتیب برابر با 8dBi و 6dBiو 6dBi می باشد. که مقادیر بدست آمده بهبود گین این آنتن را در مقایسه با آنتن هیلبرت معمولی نشان می دهد.
همانگونه که در این بخش مشاهده کردید، با چند نمونه از آنتن های فرکتالی سه بعدی هیلبرت آشنا شدیم. نتایج بدست آمده در این بخش نشان می دهد که از این آنتن ها می توان برای کاربردهای چند بانده که نیاز به گین بیشتری می باشد استفاده نمود. مطمئناً به منظور افزایش پهنای باند امپدانسی و کاهش ابعاد این آنتن ها، نیاز به تغییرات بیشتری در این ساختارها می باشد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این مورد می توان به مراجع 29 و 30 رجو ع کرد.

شکل (2-31) : آنتن هیلبرت سه بعدی معکوس در سه تکرار اول
شکل (2-32) : پارامتر S11 برای آنتن هیلبرت سه بعدی معکوس در سه تکرار اول
شکل (2-33) : پترن تشعشعی برای آنتن هیلبرت معکوس در فرکانس GHz5، برای تکرار اول (a)، تکرار دوم (b) و تکرار سوم (c)فصل سومآنتن های مایکرو استریپ3-1 مقدمهدر این فصل با آنتن های مایکرواستریپ ویژگی، عملکرد و میدان تشعشعی در این آنتن ها آشنا می شویم.
در ادامه روش های تغذیه آنتن مایکرو استریپ اشاره خواهیم کرد و سپس روش های کاهش ابعاد آنتن مایکرواستریپ را به طور جامع مورد بررسی قرار می گیرد.
3-2 تعریف آنتن های مایکرو استریپیک آنتن مایکرواستریپ، همان طور که در شکل(3-1) نشان داده شده است، شامل یک عایق است که در یک طرف آن، صفحه زمین و در طرف دیگر آن، صفحه تشعشعی قرارگرفته است که این صفحه تشعشع کننده هادی، شکلهای مختلفی میتواند داشته باشد ولی معمولا شکلهایی مورد استفاده قرار میگیرند که بتوان به راحتی مورد تحلیل قرار داد.
جنس هادی، معمولا مس و طلا انتخاب میشود و جنس لایه عایق معمولا به گونهای باید باشد که میدانهای پراکندگی و تشعشع کننده از لبههای آنتن بیشتر باشد، بنابراین ثابت دیالکتریک باید تا حد امکان کم باشد[1]-[3] .
وقتی فرکانس سیگنال به فرکانس تشدید نزدیک میشود، دامنه جریانهای سطحی که روی هادی جریان پیدا میکنند اهمیت مییابند و تشدید هنگامی اتفاق میافتد که اندازه هادی به اندازه نصف طول موج برسد. رزوناتورهای مایکرواستریپ را میتوان به دو دسته اصلی طبقه بندی کرد که بستگی به نسبت طول به عرض آنتنها دارد.
رزوناتورهایی که هادی آنها باریک است دی پل مایکرواستریپ و رزوناتورهایی که پهن هستند پچهای مایکرواستریپ نامیده میشوند. توزیع جریان طولی هر دو نوع آنتن برای مدار اصلی زیاد است، بنابراین پترن و گین آنها مشابه میباشد ولی مشخصات دیگر آنها می تواند با هم تفاوت داشته باشد (از قبیل امپدانس ورودی، لوبهای جانبی و پلاریزاسیون).
وقتی فرکانس سیگنال نزدیک فرکانس تشدید باشد، رزوناتور مایکرواستریپ، یک بیم گسترده در جهت لبه جانبی نسبت به صفحه آنتن تشعشع میکند. قسمت عمده سیگنال ورودی در تشعشع شرکت میکند و بنابراین رزوناتور بصورت یک آنتن عمل میکند.
از آنجایی که بعد اصلی پچ باید به اندازه نصف طول موج باشد، بنابراین دایرکتیویته آن بسیار پایین است. مثلا یک دیپل نصف طول موج، بطور معمول بین dB5 تا dB6 گین دارد و محدوده پهنای بیم dB3 آن از 70 تا 90 درجه میباشد.
در بسیاری از کاربردهای مایکروویو نیاز به آنتنهایی با دایرکتیویته بالا میباشد که در نتیجه، بیم آنتن باید باریک باشد. در اینگونه موارد، یک پچ تنها مناسب نمیباشد بلکه باید از یک تعداد المان های تشعشع کننده مشخصی که به صورت آرایه پریودیک قرارگرفتهاند استفاده کرد و در این صورت دایرکتیویته افزایش خواهد یافت.

222222222

ذخایر و میادین گاز طبیعی10
شبکه گذاری گاز طبیعی در ایران10
انشعابات و مصرف کنندگان گاز طبیعی11
انرﮊی نفت12
فصل دوم:
انواع تولید پراکنده 14.............................................................................
مقدمه15
7
انواع تولید پراکنده16
توربینهای گازی احتراقی16
توربینهای کوچک17
سلولهای سوختی19
توربینهای بادی20
شبکه های فتوولتاییک22
وسایل ذخیره انرﮊی23
نیروگاههای انرﮊی جزر و مد24
نیروگاههای ترمو الکتریک24
نیروگاههای ترمیونیک24
نیروگاههای بیوماس25
نیروگاه های مبدل انرﮊی خورشیدی – حرارتی – الکتریکی26
نیروگاه تولید همزمان برق، گرما و سرما27
نیروگاههای آبی کوچک28
دیزل ﮊنراتور28
چرخ لنگر28
موتورهای رفت و برگشتی28
تعاریف مربوط به تولید پراکنده29
مکان تولید پراکنده29
هدف تولید پراکنده29
میزان تولید در تولید پراکنده29
محدودیتهای عملکردی تولید پراکنده29
کاربردهای تولید پراکنده31
نحوه اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه31
تقسیم بندی های مختلف تولید پراکنده32
تلفات توان در شبکه های توزیع شعاعی34
نتیجه گیری34
فصل سوم:
تقسیم بندی اقلیمی ایران و انتخاب ده شهر نمونه35
مقدمه36
تقسمیات اقلیمی در جهان36
تقسیمات اقلیمی در ایران37
8
روش اولگی40
بحث و نتیجهگیری..41
فصل چهارم:
تعیین تابع هدف47
مقدمه48
دسترسی تجاری48
هزینه های اولیه ونصب49
ضریب کارکرد50
محاسبه مقدار قدرت الکتریکی تولیدی توسط پنلهای خورشیدی و ضریب کارکرد50
مقدمه50
تشعشعات خورشید بیرون از محیط زمین51
ثابت خورشیدی52
مقدار شدت تابش خورشید در خارج از اتمسفر زمین و برروی سطح افقی 52................................................
زاویه انحراف53
متوسط ضریب صافی ماهیانه53
ضریب صافی لحظهای53
تابش پراکنده و مستقیم53
تابش خورشید توسط صفحه ای که با شیب β که رو به جنوب نصب شده است54
محاسبه ضریب کارکرد در توربین بادی54
متوسط سرعت باد55
واریانس.55
پارامترهای K و 55C
تولید متوسط قدرت توربین56
ضریب کارکرد56
هزینه های بهره برداری ‐ تعمیر – نگهداری57
هزینه سوخت57
هزینه برق و بیان تابع هدف57
فصل پنجم:
الگوریتم و فلوچارت برنامه59
فلوچارت محاسبه ضریب کارکرد در سیستم فتو ولتائیک60
فلوچارت محاسبه ضریب کارکرد در سیستم توربین بادی62
9
فلوچارت محاسبه 64COE
نتایج حاصل از تابع هدف66
فصل ششم:
اصول مدلسازی سیستمهای قدرت کوچک توسط 73......HOMER
مقدمه ای بر مدلسازی سیستمهای قدرت کوچک 1 توسط 74HOMER
شبیه سازی.75
بهینه سازی...79
تحلیل حساسیت.83
بررسی عدم قطعیت ها.84
تحلیل حساسیت مجموعه اطلاعات ساعت به ساعت...85
مدلسازی اقتصادی.86
فصل هفتم:
شبیه سازی با استفاده از نرم افزار homer برای شهر نمونه تهران 89....................................
فصل هشتم:
نتیجه گیری و ارائه پیشنهادات101
پیوست :1
اصول همسان سازی هزینه ها و فایده ها 104.........
پیوست:2
آمار هواشناسی108
پیوست :3
نرم افزار برنامه..119
منابع و ماخذ124
چکیده انگلیسی 128...............................................................................................................................

1 Micropower sys-- modeling
10
ردیف جدول عنوان صفحه 1‐1 ذخایر قابل استحصال گاز طبیعی کشور در سال 1381 10 2‐1 مقدار شبکه گذاری انجام شده توسط شرکتهای گازرسانی استانی 12 3‐1 ذخایر هیروکربوری مایع ایران 14 4‐1 میزان ذخایر و شاخص جایگزینی ذخایر به تولید کشور در سالهای 80‐81 14 2‐1 تقسیم بندی تولید پراکنده 32 2‐2 تقسیم بندی تولید پراکنده 33 2‐3 دسته بندی تولید پراکنده بر اساس مصرف سوخت 33 3‐1 تقسیمات نه گانه اقلیمی در ایران 41 3‐2 مشخصات شهرهای انتخاب شده 41 3‐3 شرایط اقلیمی شهر اصفهان در ماههای مختلف سال 42 3‐4 شرایط اقلیمی شهر اهواز در ماههای مختلف سال 42 3‐5 شرایط اقلیمی شهر بندر عباس در ماههای مختلف سال 43 3‐6 شرایط اقلیمی شهر تبریز در ماههای مختلف سال 43 3‐7 شرایط اقلیمی شهر تهران در ماههای مختلف سال 44 3‐8 شرایط اقلیمی شهر رشت در ماههای مختلف سال 44 3‐9 شرایط اقلیمی شهر شیراز در ماههای مختلف سال 45 3‐10 شرایط اقلیمی شهر کرمان در ماههای مختلف سال 45 3‐11 شرایط اقلیمی شهر مشهد در ماههای مختلف سال 46 3‐12 شرایط اقلیمی شهر همدان در ماههای مختلف سال 46 4‐1 دسترسی تجاری انواع تکنولوﮊی DG 48 4‐2 مشخصات انواع DG مورد مطالعه 58 11
ردیف شکل عنوان صفحه 2‐1 سیستم بازیافت حرارت 17 2‐2 شکل ساده یک میکرو توربین 18 2‐3 مراحل عملکرد پیلهای سوختی 19 2‐4 اجزاﺀ توربین بادی 20 2‐5 نحوه عملکرد سیستمهای فتوولتائیک 22 2‐6 مراحل عملکردی موتورهای رفت و برگشتی 29 2‐7 شبکه شعاعی معمولی 34 4‐2 زمین در گردش سالانه خودش بدور خورشید 51 4‐2 نمودار تغییرات Gon بر حسب روزهای سال 52 4‐3 c به ازاﺀ پارامتر K 55 u 5‐1 فلوچارت محاسبه cf در فتوولتائیک 61 5‐2 فلوچارت محاسبه ضریب کارکرد توربینهای بادی 63 5‐3 فلوچارت محاسبه هزینه COE 65 5‐4 مقدار COE انواع DG در شهر اصفهان 66 5‐5 مقدار COE انواع DG در شهر اهواز 66 5‐6 مقدار COE انواع DG در شهر بندرعباس 67 5‐7 مقدار COE انواع DG در شهر تبریز 67 5‐8 مقدار COE انواع DG در شهر تهران 68 5‐9 مقدار COE انواع DG در شهر رشت 68 5‐10 مقدار COE انواع DG در شهر شیراز 69 5‐11 مقدار COE انواع DG در شهر کرمان 69 5‐12 مقدار COE انواع DG در شهر مشهد 70 5‐13 مقدار COE انواع DG در شهر همدان 70 5‐14 مقایسه COE باد در ده شهر نمونه 71 5‐15 مقایسه COE فتوولتائیک در ده شهر نمونه 71 5‐16 مقایسه CF توربین بادی در ده شهر نمونه 72 5‐17 مقایسه CF فتوولتائیک در ده شهر نمونه 72 6‐1 ارتباط بین ارکان مختلف نرم افزار HOMER 75 6‐2 نمونه هایی از سیستم های قدرت کوچک شبیه سازی شده با HOMER 77 6‐3 نتایج نمونه از تحلیل ساعتی 79 6‐4 سیستم بادی‐ دیزلی 80 6‐5 فضای جست و جو که شامل 140 حالت مختلف است 81 6‐6 نتایج کلی شبیه سازی که طبق NPC مرتب شده اند 82 6‐7 نتایج دسته بندی شده بهینه سازی 82 12
6‐8 نمونه ای از تحلیل حساسیت 84 6‐9 نتایج تحلیل حساسیت با قیمت متغیر برای سوخت 85 6‐10 نوع سیستم بهینه 86 7‐1 انتخاب بار‐ دستگاهها و حالت شبکه 89 7‐2 ورود اطلاعات ساعتی بار در روزهای هفته به تفکیک ماههای مختلف 89 7‐3 ورود اطلاعات ساعتی بار روز تعطیل آخر هفته 90 7‐4 انتخاب نوع سوخت مصرفی 90 7‐5 شماتیک نرم افزار بعد از وارد کردن مشخصات دستگاهها 91 7‐6 ورود اطلاعات ضریب صافی آسمان به تفکیک ماه برای شهر تهران 91 7‐7 ورود اطلاعات سرعت باد به تفکیک ماه برای شهر تهران 92 7‐8 قیمت دیزل بر حسب دلار بر لیتر(0.1دلار بر لیتر) 92 7‐9 0.0025 دلار بر متر مکعب) 92 قیمت گاز بر حسب دلار بر متر مکعب ( 7‐10 اجرای نرم افزارتوسط دکمه CALCULATE 93 7‐11 نتایج شبیه سازی اولین انتخاب بهینه 93 7‐12 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه میکروتوربین در روز اول ماه 94 7‐13 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه دیزل ﮊنراتور در روز اول ماه 94 7‐14 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه موتور احتراق درونی در روز اول ماه 94 7‐15 قدرت خروجی ساعتی توسط سه دستگاه در روز اول ماه 95 7‐16 نتیجه شبیه سازی استفاده از تمام دستگاههای ) DG بدترین انتخاب بهینه) 95 7‐17 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه PV در روز اول ماه 96 7‐18 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه توربین بادی در روز اول ماه 96 7‐19 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه میکرو توربین در روز اول ماه 96 7‐20 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه دیزل ﮊنراتور در روز اول ماه 97 7‐21 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه موتور احتراق درونی در روز اول ماه 97 7‐22 قدرت خروجی ساعتی توسط دستگاه باطری در روز اول ماه 97 7‐23 حساسیت نسبت به تغییرات گاز و دیزل 98 7‐24 حساسیت نسبت به تغییرات سرعت باد و قیمت دیزل با تابش خورشید برابر6kwh/m2/d 98 7‐25 حساسیت نسبت به تغییرات سرعت باد و قیمت دیزل با تابش خورشید برابر4.55kwh/m2/d 98 7‐26 حساسیت نسبت به تغییرات قیمت دیزل و تابش خورشید 99 7‐27 حساسیت نسبت به تغییرات قیمت گاز طبیعی و تابش خورشید 99 13
چکیده
از زمانی که بحث مولدهای پراکنـده در نقـاط مختلـف دنیـا رواج یافتـه، تـاکنون مباحـث زیـادی در ایـن خصوص مفتوح مانده است. سازندگان اصلی این نوع مولدها همواره به دنبال کاهش هزینه های مربوط به طراحـی، ساخت و خدمات پس از فروش بوده اند. در حال حاضر بدلیل بکارگیری تکنولوﮊیهای جدید، برخی از انـواع ایـن مولدها همچنان دارای سرمایه گذاری پایه اولیه بالایی بوده و قیمت تمام شده برق تولیدی آنها قابل رقابت بـا رویـه های جاری نیست. در حال حاضر در کشور ما بدلیل ارزان بودن قیمت سوخت، علاوه بر عدم ارزش انرﮊی گرمائی تولیدی برای واحدها و مصارف مختلف، مصرف انرﮊی هنـوز جایگـاه واقعـی خـود را پیـدا نکـرده اسـت. هزینـه تجهیزات برای تکنولوﮊیهای DG اغلب بر حسب هزینه آنهـا در هـر کیلـووات از بـرق تولیـدی، قیمـت گـذاری می گردد. در این پروژه - ریسرچ، ابتدا هزینه تولید برق انواع نیروگاههای تولید پراکنده با توجه به پتانسیل انـرﮊی موجـود در
مناطق مختلف جغرافیایی کشور تعیین و سپس به اصـول شـبیه سـازی سیـستمهای قـدرت کوچـک بـا اسـتفاده از نرم افزار HOMER برای شهر نمونه تهران پرداخته می شود. و نتایج حاصل از شـبیه سـازی بـا نتـایج پـروﮊه
مقایسه می گردد. از نتایج مشاهده می گردد که در بین انواع نیروگاههای تولید پراکنده موتورهای احتراق درونـی در تمامی شهرها دارای هزینه تولید انرﮊی کمتری نسبت به دیگر نیروگاههای تولید پراکنده دارا می باشد و همچنین بـا توجه به منابع گاز طبیعی فراوان در کشور ایران استفاده از نیروگاههای تولید پراکنده که با سوخت گاز کار می کننـد دارای هزینه تولید برق کمتری می باشند.
1
مقدمه
از زمانی که بحث مولدهای پراکنده در نقاط مختلف دنیا رواج یافته، تاکنون مباحث زیادی در این خصوص مفتوح مانده است و با توجه به جدید بودن ایده بکارگیری گسترده از این واحدها و نحوه مشارکت بخشهای غیر دولتی و همچنین نحوه حمایت دولت برای بهره برداری از آنها این بحث هنوز بصورت قـانونی مـدون اسـتخراج نگردیـده است. سازندگان اصلی این نوع مولدها همواره به دنبال کاهش هزینه های مربوط بـه طراحـی، سـاخت و خـدمات پس از فروش بوده اند. در حال حاضر بدلیل بکارگیری تکنولوﮊیهای جدید، برخی از انـواع ایـن مولـدها همچنـان دارای سرمایه گذاری پایه اولیه بالایی بوده و قیمت تمام شده برق تولیدی آنها قابل رقابـت بـا رویـه هـای جـاری نیست. بایستی توجه داشت که این مولدها دارای امکانات و مشخصات ویژه ای هستند که قیـاس آنهـا را بـا سـایر واحدهای تأمین کننده برق امکان پذیر می سازد. در حال رشدی معادل 4/7 درصد برای مصرف انرﮊی برق (بطور متوسط) در اکثر کشورهای جهان تعیین شده است. که البته طبق اظهار نظر مسؤلان این روند در کشور، دارای رشد حدود %8 سالیانه است. با توجه به راندمان حدود %50 نیروگاهها (سیکل ترکیبی) و مد نظر قراردادن این موضـوع که تلفات ناشی از انتقال انرﮊی و توزیع آن رقمی معادل 10 الی 15 درصد را در بردارد تأمین مازاد نیاز انـرﮊی بـه معنای استفاده فراوان از منابع انرﮊی فسیلی است.
جهت رفع این نقیصه استفاده از انرﮊیهای نو و تجدید پذیر1 و همچنین ایجاد یک الگوی مصرف مناسب به همراه تجدید ساختار در صنعت برق با بهره گیری از مولدهای پراکنده، راهکارهای با ارزش و مهم محسوب میـشوند. در اکثر کشورهای جهان که بهای انرﮊی دارای ارزش واقعی نیست مـصرف بـی رویـه از آن هزینـه هـای فراوانـی در بردارد. در حال حاضر در کشور ما بدلیل ارزان بودن قیمت سوخت، علاوه بر عدم ارزش انـرﮊی گرمـائی تولیـدی برای واحدها و مصارف مختلف، مصرف انرﮊی هنوز جایگاه واقعی خود را پیدا نکرده است. مولدهای پراکنـده ای که در ادامه از آنها صحبت به میان خواهد آمد علاوه بر حفظ منابع انرﮊی و جلوگیری از اتـلاف آن، بـدون داشـتن آلاینده های زیست محیطی و صوتی شرایط حفظ محیط زیست را نیز فراهم می سازند.
از لحاظ بعد تاریخی تولید کننده های برق به صورت پراکنده بودند و به طور محلی مورد استفاده قرار می گرفتند.
بعدها به دلایل اقتصادی و تکنیکی تمرکز تولید بیشتر شد، تا بـه حالـت امـروزی در آمـد. در عـصرحاضر بـدلایل متعددی تولید در حال تغییر ماهیت به تولید پراکنده می باشد. طبق پیش بینی انسیتیتو تحقیقـات بـرق آمریکـا2 تـا سال 2010 حدود %25 تولید به صورت تولید پراکنده خواهد بود و نیز طبق پیش بینی مؤسسه گاز طبیعی آمریکـا تا سال 2010 حدود %30 تولید به صورت پراکنده خواهد بود.

1 - Renewable Energy 2 - EPRI
2
در ادامه ما به بحث شرایط اقلیمی کشور ایران می پردازیم. کشور ایران 1648195 کیلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسیا واقع شده و جزﺀ کشورهای خاورمیانه محسوب می شود. در مجموع محیط ایـران 8731 کیلـومتر می باشد. حدود 90 درصد خاک ایران در محدوده فلات ایران واقع شده است. بنابراین ایران کـشوری کوهـستانی محسوب می شود. بیش از نیمی از مساحت ایران را کوهها و ارتفاعات، یـک چهـارم را صـحراها و کمتـر از یـک چهارم را اراضی قابل کشت تشکیل می دهند. ایران دارای آب و هوای متنوع و متفاوت اسـت و بـا مقایـسه نقـاط کشور این تنوع را بخوبی می توان مشاهده کرد. میزان تفاوت و ترکیب گوناگون عوامل اقلیمی کـه خـود ناشـی از تفاوت موقعیت جغرافیایی مناطق مختلف است، حوزههـای اقلیمـی متفـاوتی در جهـان پدیـد آورده کـه هـر یـک ویژگیهای خاصی دارد. محیط زیست، شهرها و حتی بناهای مربوط به این حوزههای اقلیمی، ویژگیهای خاصـی متناسب با شرایط اقلیمی خود به دست آوردهاند. بدین منظور، نخست به تقسیمات اقلیمی در سطح جهان و ایـران اشاره نموده و سپس به انتخاب ده شهر در مناطق مختلف اقلیمی ایران پرداخته می شود.
در ادامه به تعیین هزینه تولید برق از یک نیروگاه تولید پراکنده می پردازیم که یکی از عوامل مهم به هنگام اسـتفاده از یک تکنولوﮊی DG، هزینه می باشد. بهرحال تعیین هزینه یک تکنولوﮊی DG اغلب پیچیده می باشد. علاوه بـر هزینه یا سرمایه اولیه تجهیزات، نیروی کار و دیگر مخارج مربوط به نصب، بهره برداری و تعمییرات تجهیزات نیـز وجود دارد. همچنین هزینه برق تولیدی توسط تکنولوﮊی DG می تواند برآورد و با قیمت موجـود پرداخـت شـده برای برق شبکه قدرت مقایسه شود. هزینه تجهیزات برای تکنولوﮊیهای DG اغلب بـر حـسب هزینـه آنهـا در هـر کیلووات از برق تولیدی و یا دلار بر کیلووات، قیمت گـذاری مـی گـردد. بـرای انتخـاب یکـی از انـواع مختلـف نیروگاههای تولید پراکنده عوامل مختلفی وجود دارد تا مشخص شود کدام نیروگاه برای وضعیت ویژه مناسـب تـر می باشد. که این عوامل در فصل چهارم به تفصیل تشریح گردیده است. در پایان با استفاده از نرم افـزار HOMER
به مدلسازی سیستمهای تولید پراکنده کوچک می پردازیم که این نرم افزار قابلیت انتخاب بهینه هیبرید انواع تولیـد پراکنده را دارا می باشد.
3

فصل اول:
بررسی انرﮊیهای تجدید پذیر و تجدیدناپذیر مورد استفاده در نیروگاههای تولید پراکنده((DG

4
انرﮊیهای مورد استفاده در نیروگاههای تولید پراکنده به دو نوع تقسیم می شود : [1]-[10]
الف‐ تجدید پذیر
ب‐ تجدید ناپذیر
انرﮊیهای تجدید پذیر:
انرﮊی باد
انرﮊی خورشید
انرﮊی باد
انرﮊی باد یکی از انواع اصلی انرﮊی های تجدید پذیر می باشد که از دیرباز ذهن بشر را به خود معطوف کرده بـود بطوریکه وی همواره به فکر کاربرد این انرﮊی در صنعت بوده است. بشر از انرﮊی باد بـرای بـه حرکـت در آوردن قایقها و کشتی های بادبانی و آسیابهای بادی استفاده می کرده است. در شرایط کنونی نیز با توجـه بـه مـوارد ذکـر شده و توجیه پذیری اقتصادی انرﮊی باد در مقایسه با سایر منابع انرﮊیهای نو، پرداختن به انرﮊی باد امری حیـاتی و ضروری به نظر می رسد. در کشور ما ایران، قابلیتها و پتانسیلهای مناسبی جهت نصب و راه اندازی توربینهای بـرق بادی وجود دارد، که با توجه به توجیه پذیری آن و تحقیقات، مطالعات و سرمایه گذاری که در این زمینـه صـورت گرفته، توسعه و کاربرد این تکنولوﮊی، چشم انداز روشنی را فرا روی سیاستگذاران بخـش انـرﮊی کـشور در ایـن زمینه قرار داده است.
انرﮊی باد نظیر سایر منابع انرﮊی تجدیدپذیر از نظـر جغرافیـایی گـسترده و در عـین حـال بـه صـورت پراکنـده و غیرمتمرکز و تقریبا همیشه دردسترس می باشد. انرﮊی باد طبیعتی نوسانی و متناوب داشـته و وزش دائمـی نـدارد.
هزاران سال است که انسان با استفاده از آسیابهای بادی، تنها جزﺀ بسیار کوچکی از آن را استفاده می کند.
این انرﮊی تا پیش از انقلاب صنعتی بعنوان یک منبع انرﮊی، بطور گسترده ای مورد استفاده قرار می گرفت ولـی در دوران انقلاب صنعتی، استفاده از سوختهای فسیلی بدلیل ارزانی و قابلیت اطمینان بالا، جایگزین انرﮊی باد گردیـد.
در این دوره، توربینهای بادی قدیمی دیگر از نظر اقتصادی قابل رقابت با بازار انرﮊیهای نفت و گاز نبودند. تا اینکه در سالهای 1973 و 1978 دو شوک بزرگ نفتی، ضربه بزرگی به اقتـصاد انرﮊیهـای حاصـل از نفـت و گـاز وارد آورد. به این ترتیب هزینه انرﮊی تولید شده بوسیله توربینهای بادی در مقایسه با نرخ جهـانی قیمـت انـرﮊی بهبـود یافت. پس از آن مراکز و موسسات تحقیقاتی و آزمایـشگاهی متعـددی در سراسـر دنیـا بـه بررسـی تکنولوﮊیهـای مختلف جهت استفاده از انرﮊی باد بعنوان یک منبع بزرگ انـرﮊی پرداختنـد. بـه عـلاوه ایـن بحـران باعـث ایجـاد تمایلات جدیدی در زمینه کاربرد تکنولوﮊی انرﮊی باد جهت تولید برق متصل به شبکه، پمپاﮊ آب و تـامین انـرﮊی الکتریکی نواحی دورافتاده شد. همچنین در سالهای اخیر، مشکلات زیست محیطی و مسائل مربوط به تغییـر آب و هوای کره زمین بعلت استفاده از منابع انرﮊی فسیلی بر شدت این تمایلات افزوده است. از سال 1975 پیشرفتهای
5
شگرفی در زمینه توربینهای بادی در جهت تولید برق بعمل آمده است. در سال 1980 اولـین تـوربین بـرق بـادی متصل به شبکه سراسری نصب گردید. بعد از مدت کوتاهی اولین مزرعه برق بادی چند مگاواتی در آمریکا نـصب و به بهره برداری رسید. در پایان سال 1990 ظرفیت توربینهای برق بادی متصل به شبکه در جهان بـه 200MV
رسید که توانایی تولید سالانه 3200 GWh برق را داشته که تقریبا تمام این تولیـد مربـوط بـه ایالـت کالیفرنیـا آمریکا و کشور دانمارک بود. امروزه کشورهای دیگر نظیر هلند، آلمان، بریتانیا، ایتالیا و هندوستان برنامه های ملـی و ویژه ای را در جهت توسعه و عرضه تجاری انرﮊی باد آغاز کرده اند. در طی دهه گذشته، هزینه تولید انـرﮊی بـه کمک توربینهای بادی بطور قابل ملاحظه ای کاهش یافته است.
در حال حاضر توربینهای بادی از کارائی و قابلیت اطمینان بیشتری در مقایسه با 15 سال پیش برخوردارند. با ایـن همه استفاده وسیع از سیستمهای مبدل انرﮊی باد((wecs هنوز آغاز نگردیده است. در مباحث مربوط به انـرﮊی
باد، بیشتر تاکیدات بر توربینهای بادی مولد برق جهت اتصال به شبکه است زیرا این نوع از کاربرد انرﮊی بـاد مـی تواند سهم مهمی در تامین برق مصرفی جهان داشته باشد. بر اساس برنامه سیاسـتهای جـاری (cp)، تخمـین زده می شود که سهم انرﮊی باد در تامین انرﮊی جهان در سال 2020 تقریبا برابر با 375 twh در سال خواهـد بـود.
این میزان انرﮊی با استفاده از توربینهای بادی، به ظرفیت مجموع 180Gw تولیـد خواهـد گردیـد. امـا در قالـب برنامه ضرورتهای زیست محیطی (ed) سهم این انرﮊی در سال 2020 بالغ بـر ( 970 twh) در سـال خواهـد بود که با استفاده از توربینهای بادی به ظرفیت مجموع 470 Gw تولید خواهد شد. بطور کلی با استفاده از انرﮊی باد به عنوان یک منبع انرﮊی در دراز مدت می توان دو برابر مصرف انرﮊی الکتریکی فعلی جهان را تامین کرد.
منشاﺀ باد هنگامی که تابش خورشید بطور نامساوی به سطوح ناهموار زمین می رسد سبب ایجاد تغییرات در دما و فشار مـی
گردد و در اثر این تغییرات باد بوجود می آید. همچنن اتمسفر کره زمین به دلیل حرکت وضعی زمـین، گرمـا را از مناطق گرمسیری به مناطق قطبی انتقال می دهد که این امر نیز باعث بوجود آمدن باد می گردد. جریانات اقیانوسـی نیز به صورت مشابه عمل نموده و عامل %30 انتقال حـرارت کلـی در جهـان مـی باشـد. در مقیـاس جهـانی ایـن جریانات اتمسفری به صورت یک عامل قوی جهت انتقال حرارت و گرما عمل می نمایند. دوران کره زمین نیز می تواند در برقراری الگوهای نیمه دائم جریانات سیاره ای در اتمسفر، انرﮊی مضاعف ایجاد نماید.
پس همانطوریکه عنوان شد باد یکی از صورتهای مختلف انرﮊی حرارت خورشیدی می باشد که دارای یک الگوی جهانی نیمه پیوسته می باشد. تغییرات سرعت باد، ساعتی، روزانه و فصلی بوده و متاثر از هوا و توپـوگرافی سـطح زمین می باشد. بیشتر منابع انرﮊی باد در نواحی ساحلی وکوهستانی واقع شده اند.
توزیع جهانی باد بطورکلی جریان باد در جهان دارای دو نوع توزیع می باشد:
6
الف‐ جریان چرخشی هادلی1
بین عرضهای جغرافیایی 30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی، هوای گرم شـده در اسـتوا بـه بـالا صـعود کـرده و هوای سردتری که از شمال و جنوب می آید جایگزین آن می شود. این جریـان را چـرخش هـادلی مـی نامنـد. در سطح کره زمین این جریان بدین معنی است که بادهای سرد به طرف استوا می وزند و از طرف دیگر هوایی کـه در
30 درجه شمالی و 30 درجه جنوبی به پایین می آید خیلی خشک است و بدلیل آنکه سرعت دوران زمین در ایـن عرضهای جغرافیایی به مراتب کمتر از سرعت دوران زمین در استوا است، به سمت شرق حرکت می کنـد. معمـولا در این عرضهای جغرافیایی نواحی بیابانی مانند صحرا قرار دارند.
ب‐ جریان چرخشی راسبی2
بین عرضهای جغرافیایی 30 درجه شمالی(جنوبی) و 70 درجه شمالی (جنوبی) عمـدتا بادهـای غربـی در جریـان هستند. این بادها تشکیل یک چرخش موجی را می دهند و هوای سرد را به جنوب و هوای گرم را به شمال انتقال می دهند. این الگو را جریان راسبی می نامند.
اندازه گیری پتانسیل انرﮊی باد پتاسیل انرﮊی باد به عنوان یک منبع قدرت در مناطق مختلف و بر اساس اطلاعات موجود در مورد منابع بـاد قابـل
دسترس در هر منطقه مورد مطالعه قرار گرفته است. پتانسیل مربوط به منابع باد به طور کلی به پـنج دسـته تقـسیم می شود:
‐1 پتانسیل هواشناسی: این پتانسیل بیانگر منبع انرﮊی باد در دسترس می باشد.
‐2 پتانسیل محلی: این پتانسیل بر مبنای پتانسیل هواشناسی بنا شده ولی محدود به محلهایی است کـه از نظـر جغرافیایی برای تولید انرﮊی در دسترس هستند.
‐3 پتانسیل فنی: این پتانسیل با در نظر گرفتن نـوع تکنولـوﮊی دردسـترس (کـارایی، انـدازه تـوربین و... ) از پتانسیل محلی محاسبه می شود.
‐4 پتانسیل اقتصادی: این پتانسیل، استعداد بالقوه فنی است کـه بـه صـورت اقتـصادی و بـر پایـه سیاسـتهای اقتصادی قابل تحقق و اجرا است.
‐5 پتانسیل اجرایی: این پتانسیل با در نظر گرفتن محدودیتها و عوامل تشویقی برای تعیین ظرفیـت توربینهـای بادی قابل اجرا در یک محدوده زمانی خاص تعیین می شود. مانند تعرفه های تشویقی که طبـق سیاسـت‐ های دولتهای مختلف به تولیدکنندگان انرﮊی برق بادی حاصل از توربینهای بادی تخصیص داده می شود.
قدرت باد انرﮊی جنبشی باد همواره متناسب با توان دوم سرعت باد است. هنگامی که باد به یک سطح برخورد می کند انرﮊی
جنبشی آن به فشار (نیرو) روی آن سطح تبدیل می شود. حاصلضرب نیروی باد در سرعت باد مساوی قـدرت بـاد

1 - hadly 2 - Rossby
7
می شود. نیروی باد متناسب با مربع سرعت باد است پس قدرت باد متناسب با مکعـب سـرعت بـاد خواهـد بـود.
بنابراین هرچه سرعت باد بیشتر باشد قدرت آن نیز بیشتر خواهد شد. به عنوان مثال اگر سرعت باد دو برابـر شـود قدرت آن هشت برابر و اگر سرعت باد سه برابر گردد قدرت باد بیست و هفت برابر خواهد شد.
مزایای بهره برداری از انرﮊی باد
‐1 عدم نیاز توربینهای بادی به سوخت، که در نتیجه از میزان مصرف سوختهای فسیلی می کاهد.
‐2 رایگان بودن انرﮊی باد
‐3 توانایی تامین بخشی از تقاضای انرﮊی برق
‐4 کمتر بودن نسبی قیمت انرﮊی حاصل از باد نسبت به انرﮊیهای فسیلی
‐5 کمتر بودن هزینه های جاری و هزینه های سرمایه گذاری انرﮊی باد در بلند مدت
‐6 تنوع بخشیدن به منابع انرﮊی و ایجاد سیستم پایدار انرﮊی
‐7 قدرت مانور زیاد جهت بهره برداری در هر ظرفیت و اندازه ( از چند وات تا چندین مگاوات)
‐8 عدم نیاز به آب
‐9 عدم نیاز به زمین زیاد برای نصب
‐10 نداشتن آلودگی محیط زیست نسبت به سوختهای فسیلی پتانسیل باد در ایران
کشور ایران 1648195 کیلومتر مربع وسعت دارد و در غرب قاره آسیا واقع شـده و جـزﺀ کـشورهای خاورمیانـه محسوب می شود. در مجموع محیط ایران 8731 کیلومتر می باشد. حـدود 90 درصـد خـاک ایـران در محـدوده فلات ایران واقع شده است. بنابراین ایران کشوری کوهستانی محسوب می شود. بیش از نیمی از مساحت ایـران را کوهها و ارتفاعات، یک چهارم را صحراها و کمتر از یک چهارم را اراضی قابـل کـشت تـشکیل مـی دهنـد. ایـران دارای آب و هوای متنوع و متفاوت است و با مقایسه نقاط کشور این تنوع را بخوبی می توان مشاهده کرد.
ارتفاع کوههای شمالی، غربی و جنوبی به قدری زیاد است که از تاثیر بادهای دریای خزر، دریای مدیترانه و خلیج فارس در نواحی داخلی ایران جلوگیری می کند. به همین سبب دامنه های خارجی این کوههـا دارای آب و هـوای مرطوب بوده و دامنه های داخلی آن خشک است. در رابطه با بادهای ایران می توان گفـت کـه ایـران بـا موقعیـت جغرافیایی که دارد، در آسیا بین شرق و غرب و نواحی گرم جنوب و معتدل شمالی واقـع شـده اسـت و در مـسیر جریانهای عمده هوایی بین آسیا، اروپا، آفریقا، اقیانوس هند و اقیانوس اطلس است که تـاکنون آنچـه مـسلم اسـت قرار گرفتن ایران در مسیر جریانهای مهم هوایی زیر می باشد:
‐1 جریان مرکز فشار آسیای مرکزی در زمستان
‐2 جریان مرکز فشار اقیانوس هند در تابستان
‐3 جریان غربی از اقیانوس اطلس و دریای مدیترانه مخصوصا در زمستان
8
‐4 جریان شمال غربی در تابستان توربینهای بادی و انواع آن
از نظر عملکردی در توربینهای بادی انرﮊی جنبشی باد به انـرﮊی مکـانیکی و سـپس بـه انـرﮊی الکتریکـی تبـدیل میگردد.
انواع توربینهای بادی:
‐1 توربینهای بادی با محور چرخش عمودی
‐2 توربینهای بادی با محور چرخش افقی انواع کاربرد توربینهای بادی الف – کاربردهای غیر نیروگاهی الف( 1 ‐ پمپهای بادی آبکش
الف( 2 ‐ کاربرد توربینهای کوچک بعنوان تولیدکننده برق الف( 3 ‐ شارﮊ باتری ب – کاربردهای نیروگاهی
کاربردهای نیروگاهی توربینهای برق بادی شامل کاربردهای متصل به شبکه برق رسانی است که عبارتنداز:
ب(1‐ توربینهای بادی منفرد ب(2‐ مزارع بادی
انرﮊی خورشید
خورشید نه تنها خود منبع عظیم انرﮊی است، بلکه سـر آغـاز حیـات و منـشا تمـام انرﮊیهـای دیگـر اسـت. طبـق برآوردهای علمی در حدود 6000 میلیون سال از تولد این گوی آتشین می گذرد و در هر ثانیه 4.2 میلیون تـن از جرم خورشید به انرﮊی تبدیل می شود. با توجه به وزن خورشید که حدود 333 هزار برابر وزن زمین اسـت، ایـن کره نورانی را مـی تـوان بعنـوان منبـع عظـیم انـرﮊی تـا 5 میلیـارد سـال آینـده بـه حـساب آورد. قطـر خورشـید
1/39*10^6 کیلومتر است و از گازهایی نظیر هیدروﮊن 86/8) درصد)، هلیوم 3) درصد) و 63 عنصر دیگـر کـه مهمترین آنها اکسیژن، کربن، نئون و نیتروﮊن می باشد، تشکیل شده است. میزان دما در مرکز خورشید حدود 10 تا
14 میلیون درجه سانتیگراد می باشد که از سـطح آن بـا حرارتـی نزدیـک بـه 5600 درجـه و بـه صـورت امـواج الکترومغناطیسی در فضا منتشر می شود.
زمین در فاصله 150 میلیون کیلومتری خورشید واقع است و 8 دقیقه و 18 ثانیه طول می کشد تا نور خورشید بـه
1
زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرﮊی از خورشید حدود 2 109 از کل انرﮊی تابشی آن می باشد.

جالب است بدانید که سوختهای فسیلی ذخیره شده در اعماق زمین، انرﮊیهای باد، آبشار، امـواج دریاهـا و بـسیاری موارد دیگر از جمله نتایج همین مقدار انرﮊی دریافتی زمین از خورشید می باشد.
9
کاربردهای انرﮊی خورشیدی در عصر حاضر از انرﮊی خورشیدی توسط سیستمهای مختلف و برای مقاصد متفاوت استفاده و بهـره گیـری مـی شود که عبارتنداز:
الف) استفاده از انرﮊی حرارتی خورشیدی برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی ب ) تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک کاربردهای نیروگاهی:
‐1 نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه های سهموی ناودانی هستند(شلجمی باز)
‐2 نیروگاههایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه های بزرگـی بـه نـام هلیوستات به آن منعکس می شود.(دریافت کننده مرکزی)
‐3 نیروگاههایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می باشد(شلجمی بشقابی)
کاربردهای غیر نیروگاهی:
‐1 آبگرمکن و حمام خورشیدی
‐2 گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی
‐3 آب شیرین کن خورشیدی
‐4 خشک کن خورشیدی
‐5 اجاقهای خورشیدی
‐6 کوره خورشیدی
‐7 خانه های خورشیدی مصارف و کاربردهای فتوولتائیک:
‐1 مصارف فضانوردی و تامین انرﮊی مورد نیاز ماهواره ها جهت ارسال پیام
‐2 روشنایی خورشیدی
‐3 سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی
‐4 سیستم پمپاﮊ خورشیدی
‐5 سیستمهای تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری
‐6 ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و هر وسیله ای که تاکنون با باطری خشک کار می کرده است
‐7 نیروگاههای فتوولتائیک
‐8 یخچالهای خورشیدی
‐9 سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل
10
انرﮊی های تجدیدناپذیر
گاز
دیزل
انرﮊی گاز
ذخایر و میادین گاز طبیعی بزرگترین ذخایر گازی شناخته شده جهان متعلق به کشور روسیه می باشد و میلیونها انـشعاب در اروپـا، بـه منـابع
گازی این کشور متصل است. ایران نیز بعد از روسیه، دارای عظیم ترین ذخـایر گـاز طبیعـی در جهـان مـی باشـد.
حدود 17/2 درصد از کل ذخایر گاز طبیعی دنیا و 47/72 درصد از ذخایر خاورمیانه به ایران تعلق دارد.
میزان ذخایر کل قابل استحصال گاز طبیعی کشور در پایان سال 1381، بالغ بر 26/75 تریلیون متر مکعب بـرآورد گردیده است.
وجود پشتوانه عظیم گاز طبیعی در ایران، به همراه جهت گیری سیاسـت انـرﮊی کـشور بـه سـمت افـزایش رونـد جایگزین گاز طبیعی، موجب شده که در دهه های اخیر، سرعت نفوذ گاز طبیعی در سبد انرﮊی کـشور از افـزایش قابل ملاحظه ای برخوردار شود. به طوری که هم اکنون، حدود 40 درصد از انـرﮊی مـصرفی کـشور توسـط گـاز طبیعی تامین می گردد.
جدول((1‐1 ذخایر قابل استحصال گاز طبیعی کشور در سال 1381

شبکه گذاری گاز طبیعی در ایران توسعه عملیات شبکه گذاری گاز طبیعی در راستای سیاست افزایش سهم گـاز در سـبد مـصرف انـرﮊی در داخـل
کشور، از طریق جایگزینی مصرف فراورده های نفتی با گاز طبیعـی بـوده اسـت. بطوریکـه عملیـات مـذکور طـی سالهای دهه 1360 شدت بیشتری گرفته است. در طی این سالها، تا پایان سال 1381، بسیاری از مناطق روسـتایی که در مجاورت شبکه انتقال خطوط انتقال سراسری قرار داشتند، مجهز به سیستم های انتقال، توزیع و مصرف گـاز طبیعی شده اند، بطوریکه سایر استانهای کشور از این شبکه بهره مند گردیده اند. طی دوره مورد بحث، میزان شبکه گذاری گاز طبیعی در کل کشور به 79000 کیلومتر تا پایان سال 1381 رسیده است. از کـل شـبکه گـذاری گـاز کشور تا پایان سال 1381، حدود 17 درصد آن در استان تهران واقع شده و کمترین میـزان برخـورداری از شـبکه گاز رسانی به استانهای کهگیلویه و بویراحمد و کردستان، به ترتیـب بـا 1/04 و 1/22 درصـد تعلـق دارد. بعـد از
11
استان تهران با درصد تمرکز 10/68 درصد، استانهای مازندران، اصفهان، آذربایجان شرقی، فارس، خراسان، گـیلان و کرمان به ترتیب با درصد تمرکز 03/60،8/9،8/02، 6/95،6/53،6/07 قرار داشته اند. نمـودار((1‐1 خلاصـه ای از حجم شبکه گذاری انجام شده توسط شرکت گاز رسانی استانی را نشان می دهد.
نمودار((1‐1 مقدار شبکه گذاری انجام شده در استانها تا پایان سال 1381

قابل ذکر است تا سالهای اولیه دهه هفتاد هجری شمسی، عمده شبکه های توزیع گاز طبیعی به صورت لولـه هـای فولادی بوده که دارای فشاری بالغ بر 60‐250 پوند براینچ مربع می باشند. تجارب موفق بکارگیری لوله های پلی اتیلن با فشار زیاد موجب شده که اخیرا بخش قابل توجهی از شبکه گذاری با استفاده از لوله های پلی اتیلن انجـام گیرد.
انشعابات و مصرف کنندگان گاز طبیعی مجموع انشعابات در کل کشور تا پایان سال 1381 به 4183 هزار انشعاب رسیده است که از ایـن میـزان، حـدود
460 هزار انشعاب در سال 1381 صورت گرفته است. 99/8 درصد کل انشعابات صورت گرفته در سـال مزبـور به انشعابات بخش خانگی و تجاری تعلق داشته و مراکز صنعتی، دارای سهم ناچیزی از انشعابات گازرسانی بودند.
البته، افزایش تعداد انشعابات بخش صنعت طی سالهای اخیر از روند مطلوبی برخودار بوده، بطوریکه با ادامه رونـد موجود، در سالهای نزدیک، اکثر مراکز عمده صنعتی کشور به گاز طبیعی مجهز مـی گردنـد. جـدول (2‐1) تعـداد انشعابات نصب شده توسط شرکتهای گازرسانی را نشان می دهند.
12
جدول((2‐1 تعداد انشعابات نصب شده توسط شرکتهای گاز رسانی تا پایان سال 1381

ا
انرﮊی نفت
بخش نفت در ابعاد ملی و بین المللی، از اهمیت فوق العاده ای برخوردار است. از بعد اقتـصاد ملـی، نفـت نقـشی مهم در تولید ناخالص داخلی، تجارت خارجی، تشکیل سرمایه ملی، اشتغال زایی، تامین بودجـه و گـسترش زمینـه صادرات غیر نفتی دارد. ایران در مقام دومین تولیدکننده نفت اوپک قرار دارد. مجموع ذخایر قابل استحـصال نفـت خام و میعانات گازی در آغاز سال 1382 حدود 130/8 میلیارد بشکه بوده است. تاریخ اتمام ذخـایر، در صـورت کشف نشدن ذخایر جدید و برداشت سالانه معادل سال 1381 برای نفت خام و میعانات گـازی حـدود 93 سـال است. با توجه به جدول((3‐1، ذخایر واقع در دریا و خشکی به ترتیب حدود 21/5 و 78/6 درصد کـل ذخـایر
13
قابل استحصال هیدروکربوری مایع کشور را تشکیل می دهد. این در حالی اسـت کـه 91/1 درصـد از کـل تولیـد انباشتی از میادین خشکی و تنها 8/9 درصد آن از میادین دریایی صورت گرفته است.
جدول((3‐1 ذخایر هیدروکربوری مایع ایران

جدول((4‐1 میزان ذخایر قابل استحصال جدید و شاخص جایگزینی ذخایر به تولید را نشان می دهد.
جدول((4‐1 میزان ذخایر و شاخص جایگزینی ذخایر به تولید کشور در سالهای 80‐81

14

فصل دوم:
انواع تولید پراکنده
(Distributed Generation)

15
مقدمه
برخی دلایل گرایش تولید به سمت تولید پراکنده عبارتند از:[48]
– 1 محدودیتهای محیطی و جغرافیایی تولید
– 2 مسایل تکنیکی شبکه همچون پایداری، قابلیت اطمینان و...
– 3 روند رو به رشد بار در شبکه توزیع و نیاز به احداث نیروگاههای جدید و توسعه شبکه تولید پراکنده
– 4 گرایش به سمت انرﮊیهای پاک و سازگاز با محیط زیست
– 5 قطع وابستگی به سوختهای فسیلی به دلیل نوسانات قیمت سوخت
– 6 تلفات کمتر نسبت به نیروگاههای بزرگ
– 7 جاگذاری و نصب آسانتر
– 8 جاگذاری نزدیک مصرف کننده که این باعث کاهش هزینه توزیع و انتقال و تلفات ناشی از آنها میگردد.[15]
و همچنین دارای معایبی به شرح ذیل است:
– 1 هزینه اولیه گران
– 2 پیچیده بودن ساختار
– 3 نیاز به سیستم های ذخیره برق، حرارت تولید پراکنده را با اسامی مختلفی مانند زیر خطاب میکنند:[49],[18]
Embedded Generation - 1
Distributed Generation - 2
Dispersed Generation - 3
Power Distribution - 4
Distributed Resources - 5
اصطلاحا تولید پراکنده را DG هم می گویند. در اکثر موارد تولید پراکنده در شبکه های توزیع جایگذاری میـشود.
وارد کردن تولید پراکنده در شبکه های توزیع، مزایا و معایبی دارد. مزایای استفاده از تولید پراکنده عبارتند از:
‐1 اصلاح کیفیت توان
‐2 اصلاح قابلیت اطمینان
‐3 کم کردن تلفات
‐4 بالا بردن قابلیت اعتماد معایب استفاده از تولید پراکنده عبارتند از:
‐1 پیچیده شدن شبکه و ضرورت توسعه سیستم حفاظت شبکه
‐2 پیچیده شدن بهره برداری و کنترل شبکه مولدهای پراکنده دارای انواع مختلفی بوده که در ذیل به بررسی اجمالی آنها پرداخته شود.
16
انواع تولید پراکنده
تولید پراکنده دارای انواع گوناگونی می باشد، که از مهمترین آنها می توان به موتورهای احتراق درونی، توربینهـای گازی احتراقی1، توربینهای کوچک2، وسایل ذخیره انرﮊی3، توربینهای بادی4، انرﮊی بیوماس5، سلولهای سـوختی6 و سلولهای خورشیدی7 را نام برد.[17],[21]
این تولیدات پراکنده را می توان از دید تکنولوﮊی به سه دسته عمده تقسیم نمود که عبارتند از:
‐1 تکنولوﮊی گازی
‐2 تکنولوﮊی های انرﮊی نو
‐3 وسایل ذخیره انرﮊی که در آن تکنولوﮊی گازی شـامل توربینهـای احتراقـی گـازی، توربینهـای کوچـک و سـلولهای سـوختی میباشـد.
تکنولوﮊی های انرﮊی نو شامل انرﮊی نهفته طبیعی، توربینهـای کوچـک بـادی، سـلولهای فتوولتائیـک مـی باشـند.
وسایل ذخیره انرﮊی شامل باتری، 8SMES، سوپرخازنها، سدهای ذخیره آب و 9CAES می باشند.
توربینهای گازی احتراقی تکنولوﮊی توربینهای گازی سالهاست که مورد استفاده قرار می گیرد هم اکنـون در شـبکه انتقـال ایـران توربینهـای
گازی زیادی با توان خروجی بالا در حال سرویس دهی می باشند. توربینهای گـازی مـورد بحـث در اینجـا خیلـی کوچکتر از توربینهای گازی به کار رفته در شبکه انتقال بوده و توان خروجی پایین تری دارند.
در این نوع توربینها مطابق شکل (2‐1) هوا با عبور از کمپرسور فشرده شده سپس با سوخت ترکیب مـی گـردد و پس از احتراق، باعث گردش توربین و در نهایت توسط ﮊنراتور باعث تولید توان می شود. این توان تولید شده هم توسط مبدل های توان به شبکه تحویل داده می شود. در این فرآیند می توان از حرارت تولید شـده در تـوربین کـه مورد استفاده نیست جهت سیستم گرمایش یا هر هدف دیگری استفاده نمود. توربینهای گازی احتراقی دارای مزایـا و معایبی هستند که در زیر شرح داده شده اند.

1- Combustion Gas turbine 2- Micro Turbine 3- Enegy Storage Devices 4- Wind Turbine 5- Biomass Power 6- Fuel Cells 7- Photovoltaic Arrays
8- Superconducting Magnetic Energy Storage 9- Compressed Air Energy Storage
کمپرسور

جعبه دنده
گاز خروجی
17
بخارورودی توربین
محفظه احتراق
گاز خروجی
شکل (2‐1) سیستم بازیافت حرارت
مزایا:
‐1 راندمان بالا و هزینه پایین
‐2 توانایی تولید دمای بالا
‐3 مشتری های زیاد در بازار برق
‐4 نسبت توان به وزن بالا
‐5 در دسترس بودن و قابل اطمینان بودن
‐6 رنج بهره برداری وسیع از توان خروجی معایب:
‐1 کاهش راندمان با کاهش بار
‐2 حساسیت به شرایط محیطی (دما، ارتفاع)
‐3 هزینه و راندمان واحدهای کوچک آن به اندازه واحدهای بزرگ قابل قبول نیست.
توربینهای گازی احتراقی از جمله تولید کننده های انرﮊی است که به راحتی در هر نقطه ای قابل نصب بـوده ولـی دارای فاکتور آلوده کنندگی هوا می باشند، که به نظر می رسد نقش آنها را در آینده کم رنگ نماید.
توربینهای کوچک تکنولوﮊی توربینهای کوچک دارای آینده درخشانی است این نوع توربینها، توربینهای احتراقی با ظرفیـت کـم مـی
باشند که می توانند از گاز طبیعی پروپان و سوخت مایع استفاده نمایند. مطابق شـکل (2‐2) در یـک نگـاه سـاده، توربینهای کوچک دارای کمپرسور، محفظه احتراق، توربین کوچک و ﮊنراتور می باشـد. توربینهـای کوچـک دارای حجم کوچکی به اندازه 1– 0/004 m3 و تولیـدی بـه انـدازه 500‐20KW دارنـد. بـرخلاف توربینهـای احتراقـی
18
معمولی، توربینهای کوچک در دما و فشار کمتر و سرعت بیشتری (100000rpm) که بیشتر اوقات به هـیچ جعبـه دنده ای نیاز ندارند، کار می کنند. انواع تجاری موجود دارای قیمت پایین، قابلیت اطمینان خـوب، سـرعت بـالامی باشند. این نوع تولید پراکنده در رنج تولید توان75‐30 KW در شـمال غربـی آمریکـا و غـرب کانـادا و آرﮊانتـین توسط کمپانی Honeywell نصب شده اند. قسمتهای مختلف یک توربین کوچک در شکل (2‐2) نشان داده شـده است. با توجه به شکل (2‐2) هوا با عبور از فیلتر و کمپرسور در محفظه احتراق با سوخت ترکیب شده و واکنش نشان می دهد و سپس توربین به گردش درآمده و ﮊنراتور تولید توان می نمایـد. تـوان تولیـد شـده هـم از طریـق مبدلهای توان به شبکه تزریق می گردد.

جعبه دندهبخارورودی توربین
سیستم بازیافت
محفظه احتراق
دود خروجی
شکل (2‐2) شکل ساده یک میکرو توربین
توربینهای کوچک در بهره برداری و استفاده دارای مزایا و معایبی هستند که به ترتیب در زیر شرح داده شده اند.
مزایای توربینهای کوچک عبارتند از:
‐1 قطعات گردنده کم، سایز کوچک و وزن کم
‐2 راه اندازی ساده و سریع و دارای مشخصات هماهنگ با بار
‐3 راندمان بالا در استفاده دوگانه گرمایی‐ الکتریکی و دوره های تعمیر بلند مدت
‐4 مواد زاید خروجی کم و استفاده مجدد سوخت مصرف نشده معایب توربینهای کوچک عبارتند از:
‐1 نسبت نامناسب سوخت به راندمان الکتریکی
‐2 درجه حرارت بالای محیط وارتفاع بر تلفات توان خروجی و راندمان اثر منفی دارد
19
استفاده وسیع از توربینهای کوچک به دلیل حجم کم و راه اندازی سریع و مواد زاید پایین به سرعت درحـال رشـد است و آینده ای روشن برای آن پیش بینی می شود.
سلولهای سوختی سلول سوختی وسیله ای است که توان الکتریکی و انرﮊی حرارتـی را از انـرﮊی شـیمیایی از طریـق واکـنش هـای
الکتروشیمیایی تولید و تا زمانی که سوخت ورودی تامین گردد تولید الکتریسیته ادامه می یابد. برخلاف باطریها در سلولهای سوختی نیازی نیست که در حین عملیات الکتروشیمیایی، تا زمانی که سوخت ورودی تـامین مـی گـردد، شارﮊ گردد. تکنولوﮊی سلولهای سوختی از سال 1960 شناخته شده است ظرفیت سلولهای سوختی از کیلووات تـا مگاوات برای واحد قابل حمل و ثابت در حـال تغییـر اسـت، ایـن وسـیله در کاربردهـای مختلـف بـا اسـتفاده از سوختهای گازی و مایع، توان و گرمای پاک و سازگار، با محیط تولید مـی نمایـد، سـلولهای سـوختی مـی تواننـد سوختهایی همچون سوخت هیدورﮊن سنگین، گاز طبیعی، بیوگاز و پروپان مصرف نمایند.[11]
سلول سوختی دارای قسمت های مختلفی همچون مبدل سوخت، کاتالیزور آند، الکترولیت پلیمری، کاتالیزور کاتـد و مبدل توان الکتریکی می باشد. هیدروﮊن سوخت با عبور از مبدل سوخت اسـتخراج شـده و وارد کاتـالیزور آنـد میگردد، با عبور از آند الکترون آن گرفته شده و هیدروﮊن یونیزه شده از الکترولیت پلیمری عبور می کند و در کاتد با اکسیژن ترکیب شده و آب و گرما می دهد. بدینوسیله گرما و الکتریسیته تولید می شود. الکتریسیته تولید شده از طریق مبدل توان به شبکه تزریق مـی گـردد. در شـکل((2‐3 مراحـل عملکـرد پیلهـای سـوختی نـشان داده شـده است. [19]

شکل (2‐3) مراحل عملکرد پیلهای سوختی
مزایا و معایب استفاده از بهره برداری از سلولهای سوختی به شرح زیر آمده است.
مزایا:
‐1 راندمان الکتریکی بالا
‐2 نبود قسمتهای متحرک در حین کارکرد سلول سوختی‐ به غیر از پمپها و دمنده های سلول سوختی کـه باعـث کاهش آلودگی صوتی و محیطی می گردد.
20
‐3 نبود احتراق در سلولهای سوختی باعث کاهش قابل ملاحظه مواد زاید خروجی و ماهیت سازگاری بـا طبیعـت را به سلول سوختی داده است.
‐4 با توجه به راندمان بالای سلول سوختی درحالت الکتروگرمایی روز بـه روز سـلولهای سـوختی کـوچکتری بـا مقیاس تجاری و قیمت مناسب ساخته می شود.
معایب:
‐1 قیمت بالا
‐2 نیاز به یک مبدل توان الکترونیک قدرت جهت تنظیم ولتاﮊ خروجی باتوجه به راندمان بالا و سازگاری با محیط زیست و نیز پایین آمدن هزینه سلول سوختی با پیشرفت علم پیش بینی می شود که میزان زیادی از تولید به سمت سلول سوختی متمایل گردد.
توربینهای بادی انرﮊی بادی، انرﮊی است که از هزاران سال پیش مورد استفاده های متعدد داشته است. و از جمله انرﮊیهای متغیر با
زمان و مکان است. چگالی توان تولیدی بر حسب وات بر واحد سطح، یک تابع درجه سوم از سـرعت بـاد اسـت.
در اینصورت یک افزایش کوچک در سرعت باد، افزایش زیادی در توان را در بر خواهد داشت. بادها به دسته های خوب، عالی و شدید تقسیم بندی می شوند که معادل بـا سـرعتهای 13، 16 و 19 مایـل برسـاعت اسـت. توسـط توربینهای بادی ( ایروتوربین ) حرکت رانشی باد به انرﮊی مکانیکی دورانی تبدیل می شود که آن نیز به نوبه خـود توسط یک ﮊنراتور به انرﮊی الکتریکی تبدیل می گردد. ضریب تـوان یـک ایروتـوربینCP شـاخص نـشان دهنـده اصطکاک شفت ایروتوربین می باشد.
یک توربین بادی شامل یک رتور، پره های توربین، ﮊنراتور، وسایل مکانیکی مبدل سرعت و نیرو، شفت و درایـور ﮊنراتور می باشد. توربین های بادی مدرن می توانند به تنهایی یا به صورت مزرعه های بادی و دسته جمعی انرﮊی الکتریکی را تولید نمایند. پره های توربین بادی عموما دو یا سه پره می باشد که هر کدام حدود m 30‐ 10 طـول دارد.

شکل((2‐4 اجزاﺀ توربین بادی
21
انواع مختلفی ایروتوربین در دسترس هستند. آنها می توانند دارای محورهای افقی یا عمودی باشند. تعداد پـره هـا، ثابت یا متحرک بودن آنها و کنترل پره ها بستگی به نوع ایروتـوربین دارد. توربینهـای بـا محـور عمـودی بـا دارای
سیستم خود راه انداز نیستند و نیاز به مکانیسم راه انداز دارند.
توربینهای با محور افقی با دو تا یا بیشتر پره متداولترند. توان الکتریکی خروجی از رابطه زیر بدست می آید:
Pc  η gηm ACp KV 3(2‐1)
که در اینجا ηm و η g به ترتیب بازده های مکانیکی و الکتریکی ﮊنراتـور مـی باشـند. بـه همـین ترتیـب A سـطح جاروب شده، K یک ثابت و V سرعت برخورد باد به توربین می باشد.
اگر سرعت باد تغییر کند، با کنترل گام پره ها، توربین در یک سرعت ثابت عمل می کنـد و یـک ماشـین سـنکرون معمولی برای تولید فرکانس ac ثابت بکار گرفته می شود.
معمولا یک ﮊنراتور القایی با منبع قابل تغییر استفاده می گردد. در این حالت، توربین در یک سرعت نسبتا ثابت کار می کند. انتخاب سرعت متغیر موجب می شود که بازده توربین در رنج وسـیعی از سـرعتهای بـاد بهینـه گـردد در نتیجه خروجی افزایش می یابد. در آینده انتظار می رود که توربینهای پیشرفته در مد سرعت متغیر عمل نموده و از الکترونیک قدرت برای تبدیل خروجی فرکانس متغیر به فرکانس ثابت با اغتـشاشات هـارمونیکی حـداقل در آنهـا استفاده گردد.
اگرچه تبدیل انرﮊی باد به انرﮊی برق اثرات زیست محیطی حداقل دارد ولی ساختارهای بزرگ آنها مقـداری نـویز تولید نموده و از لحاظ زیباسازی هم مشکل ساز خواهد بود. با جایابی سیستمهای باد، تا حد امکان دور از مراکـز مسکونی، این تاثیرات حداقل می گردد. [12]
با توجه به تحقیقات انجام شده توربینهای بادی دارای مزایا و معایبی است که در زیر آورده شده اند.
مزایا:
‐1 انرﮊی تولید شده از توربین بادی می تواند ارزان شود.
‐2 هزینه تولید انرﮊی پائین
‐3 توربین بادی هیچ ماده زاید خروجی نداشته و هیچ سوختی هم نیاز ندارد.
‐4 استفاده بهینه از زمین: زمین مورد استفاده آن می تواند برای کشاورزی یا غذا دادن به حیوانـات مـورد اسـتفاده قرار گیرد.
معایب:
‐1 توان خروجی متغیر در ازای تغییرات سرعت باد
‐2 مکان های مناسب جهت نصب توربین بادی محدود می باشد.
‐3 اثر روحی روانی نیروگاه بادی به دلیل بزرگی آن بر روی مردم مجاور آن
‐4 کشتار پرندگان که از محدوده آن می گذرند
22
‐5 نیروگاه بادی بدلیل تولید انرﮊی پاک و نیز بدلیل پایین آمدن هزینه تمام شده انرﮊی توسط آنها بـه مـرور زمـان درآینده متقاضی بیشتری خواهند داشت.
شبکه های فتوولتاییک پدیده فتوولتائیک: به پدیده ای که در اثر تابش بدون استفاده از مکانیزمهای محرک، الکتریـسیته تولیـد کنـد پدیـده فتوولتائیک می گویند.
شبکه های فتوولتائیک مجموعه ای از سلولهای فتوولتاییک می باشند که انرﮊی خورشید را بطور مستقیم به انـرﮊی الکتریکی تبدیل می نمایند. سلولهای فتوولتائیک می توانند به صورت مربعی یا گرد باشند.
این سلولهای به گونه ای به هم متصل شده اند تا ردیفهای قابل حملی را تشکیل دهند. بـا اتـصال ایـن ردیفهـا بـه صورت سری موازی1 (امروزه این گونه سلولها عموما از ماده سیلیسیوم و سیلیسیوم مورد نیاز از شن و ماسه تهیـه می شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می گردد) می توان انرﮊی مورد نیاز خود را تامین نمود.
سیستمهای فتوولتائیک را می توان به طور کلی به سه بخش اصلی تقسیم نمود:
‐1 پنلهای خورشیدی: این بخش در واقع مبدل انرﮊی تابـشی خورشـید بـه انـرﮊی الکتریکـی بـدون واسـطه مکانیکی می باشد. جریان و ولتاﮊ خروجی از این پنلها ) DC مستقیم )می باشد.
‐2 تولید توان مطلوب یا بخش کنترل: این بخش در واقـع کلیـه مشخـصات سیـستم را کنتـرل کـرده و تـوان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق یا کنترل می کند. در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننـده و نیـز شـرایط آب و هوایی محلی تغییر می کند.
‐3 مصرف کننده یا بار الکتریکی: با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می تواند دو نوع
DC یا AC باشد. همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتائیک می توان نیاز مصرف کننـدگان مختلـف را با توانهای متفاوت تامین نمود.
مجموعه یک شبکه فتوولتائیک تولید انرﮊی در شکل (2‐5) نشان داده شده است. در شـکل دیـده مـی شـود کـه انرﮊی خورشید از طریق شبکه فتوولتاییک به انرﮊی الکتریکی تبدیل و توسط یک مبدل تـوان بـه بـرق مـورد نیـاز شبکه تبدیل می گردد. با استفاده از یک ﮊنراتور پشتیبان می توان انرﮊی الکتریکی دائمی به شبکه تحویل داد.

شکل((2‐5 نحوه عملکرد سیستمهای فتوولتائیک[20]

1- Panel
23
بکارگیری شبکه های فتوولتائیک مزایا و معایبی دارند که در زیر شرح داده شده اند:
مزایا:
‐1 جهت نقاط دور دست کاربرد فراوانی دارد
‐2 نیاز به تعمیر آنها خیلی کم است
‐3 طبیعت دوست هستند معایب:
‐1 شرایط جوی و جغرافیایی محیط و میزان نور خورشید تاثیر مستقیم بر تولید توان در این وسیله دارند
‐2 این سلولها توان خروجی کمی تولید می نمایند
‐3 هزینه زمین در جاهایی که PV نصب می شود گران است و نسبت زمین مصرفی به توان خروجـی در آن کـم می باشد.
تحقیقات وسیعی در زمینه سلولهای خورشیدی درحال انجام است و با توجه به کاهش روز افزون ذخـایر سـوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاههای اتمی و با توجه به طبیعت دوست بودن این وسیله امید است کـه در آینده بعنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوختهای فسیلی و نیروگاههای اتمی توسـط بـشر بکـار گرفتـه شود. [13]
وسایل ذخیره انرﮊی این وسایل با ذخیره انرﮊی در ساعات خاص و سپس پس دادن انرﮊی در ساعات تعیین شده به عنـوان منبـع تـوان
تولید پراکنده در شبکه توزیع شناخته شده اند. وسایل ذخیره انرﮊی شامل باتری، SEMS، سـوپر خازنهـا، سـدهای ذخیره آب و CAES می باشند. این وسایل معمولا با انواع دیگر تولید پراکنده ترکیب می شوند تا در زمان پیک بار مورد استفاده قرار گیرند.
بکارگیری این وسایل مزایا و معایبی دارد که در زیر شرح داده شده اند.
مزایا:
‐1 اصلاح کیفیت توان و قابلیت اطمینان
‐2 کاهش اندازه تولیدات پراکنده
‐3 صرفه جویی انرﮊی / تقاضا از تقسیم بندی بار
‐4 کاهش دادن احداث تجهیزات جدید در شبکه انتقال و توزیع معایب:
‐1 هزینه بالای سیستم ذخیره در مدت طولانی
‐2 تلفات توان کنار سایت جهت حفظ انرﮊی شارﮊ شده
‐3 نرخ تعمیرات بالا
24
با بکارگیری وسایل ذخیره انرﮊی می توان از اضافه توان شبکه در زمان پیک بار استفاده نمود و شبکه ای با قابلیت مانور بالایی داشت.
نیروگاههای انرﮊی جزر و مد انرﮊی جزر و مد حاصل نیروی گرانش ماه است که ناشی از تغییرات دوره ای انرﮊی پتانسیل آب در نقطه از سطح
زمین است. این تغییرات بوسیله ویژگیهای جغرافیایی مثل شکل و اندازه مصب رودخانه ها زیادتر می شود. نـسبت بین ماکزیمم خیز جزر و مد و مینمم مقدار آن می تواند برابر 3 به 1 باشد. در مصب رودخانه ها، دامنه جزر و مـد می تواند به بزرگی 10 تا 15 متر باشد. توان تولید شده از جزر و مد با ایجاد یک آبگیر و یک سـد در یـک نقطـه مفید در طول مصب تولید می شود. با نصب توربین در نقاط مناسب امکان تولید برق هم در زمـان جـزر و هـم در زمان مد وجود دارد. در شکل دو آبگیره، تولید می تواند در زمانهای مختلف انجـام شـود. بـه ایـن ترتیـب کـه در ساعات پیک عرضه از آبگیره دوم استفاده می گردد. استفاده از انرﮊی حاصل از جزر و مد، نیاز به محل های خاص دارد. بزرگترین این نیروگاهها از نوع یک آبگیره است کـه در انگلـستان و فرانـسه وجـود دارنـد. تـوان نـامی ایـن نیروگاهها 240 مگا وات است که از 24 توربین افقی پره ای استفاده می کنند که توان نامی هر کدام 10 مگا ولـت آمپر است. این نیروگاهها از سال 1966با فناوری خوبی آغاز به کار کرده و بطور متوسط حـدود 500 گیگـا وات ساعت، انرﮊی خالص در هر سال تولید نموده است. [12]
نیروگاههای ترمو الکتریک ترمو الکتریک با استفاده از تاثیرات ترموالکتریکی مواد، انرﮊی حرارتی را مستقیما به انرﮊی برق تبدیل می کننـد کـه
نیمه هادیها بهترین انتخاب برای ترموکوبلها هستند.
در یک ﮊنراتور ترموالکتریکی، ولتاﮊ سیبک تولید شده که تحت اختلاف دما بوجود میآید و یـک جریـان مـستقیم
DC را از طریق مدار باز راهاندازی میکند. [11]
نیروگاههای ترمیونیک تبدیل مستقیم گرما به برق که ادیسون به آن نایل گشت، آزاد شدن الکترونهـا از یـک جـسم داغ اسـت کـه تـابش
ترمیونیک نامیده میشود.گرمای ورودی، انرﮊی کافی به الکترونهایی که در کاتد هستند را میدهـد کـه ایـن باعـث گسیل شدن این الکترونها میگردد. اگر این الکترونها با استفاده از یک جمع کننده (آند) جمع شـوند و یـک مـسیر بسته از طریق یک بار برای کامل کردن مدار برگشتشان به کاتد برقدار گردد، خروجی الکتریکـی بدسـت مـیآیـد.
مبدلهایی که با گازهای قابل یونیزه مثل بخار سدیم در فضای بین دو الکترود پر میشوند. چگالی تـوان بـالاتری را بخاطر بیبار کردن فضای بار موجب میگردند. وقتی این شـاخص کـاهش مـییابـد، کاربردهـای بیـشتری عملـی میگردند. یک نمونه از این تکنولوﮊی 1TFE است که ترکیبی از مبدل و سوخت هستهای بوده و تـوان تولیـدی آن در مقیاس کیلووات تا مگاوات است و برای دورههای زمانی طولانی 7) تا 10 سال) میباشد.

1 - Thermal Fuel Element
25
مبدل دیگر دیگ بخار تولید همزمان برق و گرما، یک دیگ بخار با دمای بالاست که با مبـدلهای ترمیونیـک مجهـز شده است. خروجی الکتریکی آن 50 کیلووات در برابر یک مگاوات خروجی گرمایی است. [17]
نیروگاههای بیوماس بیوماس نوعی ماده آلی است که به وسیله گیاهان اعم از گیاهان خاکی ( که در زمین می رویند ) و گیاهان آبی ( که
در آب می رویند ) و مشتقات آنها تولید می شود. بیوماس شامل گیاهان جنگلی و پسمانده های آنها، گیاهـانی کـه به خاطر محتوای انرﮊی شان در " مزارع انرﮊی " کاشته می شوند، و کود حیوانی نیز مـی شـود. بـر خـلاف زغـال سنگ، نفت و گاز طبیعی که در طی میلیون ها سال بوجود می آیند، بیوماس را می توان منبع انـرﮊی تجدیـد پـذیر تلقی کرد زیرا عمر گیاه تجدید می شود و هر سال به مقدار آن اضافه می شود. بیوماس را می توان شکلی از انرﮊی خورشیدی تصور کرد چون که در واقع این انرﮊی در نتیجه فتوسنتز و رشد گیاهان حاصل می شود.
بیوماس، علاوه بر پسماند های چوبی و تفاله مواد گیاهی که در بالا به آنها اشاره شد، برخی مواد دیگر را نیز شامل می شود. انواع مختلف بیوماس به صورتی هستند که حجم را اشغال می کنند و محتوی مقدار زیادی آب هـستند (
50 تا 90 درصد ). از این رو، انتقال آنها تا مسافتهای دور اقتصادی نیست، بلکه تبدیل آنها به صورت انرﮊی قابـل استفاده باید در نزدیکی محل تولید که محدود به مناطق خاصی است، صورت گیرد. با وجود ایـن، بیومـاس را مـی توان به سوختهای گازی و مایع تبدیل کرد که بدین وسیله چگالی انرﮊی آن افزایش می یابد و انتقال آن بـه منـاطق دور عملی می شود.
تبدیل بیوماس به صورتهای گوناگون انجام می گیرد:
‐1 احتراق مستقیم مانند سوزاندن تفاله و پسماندهای چوبی
‐2 تبدیل گرما شیمیایی
‐3 تبدیل زیست شیمیایی
تبدیل گرما شیمیایی به دو شکل صورت می گیرد:
‐1 تهیه گاز
‐2 تهیه مایع
تهیه گاز با گرمایش بیوماس و با استفاده از اکسیژن محدود عملی می شود که در نتیجه آن گـاز، بـا ارزش گرمـایی پایین تولید می شود، یا اینکه بیوماس با بخار آب و اکسیژن در فشار و دمای بالا به طور شیمیایی ترکیب می شـود که حاصل آن تولید گاز با ارزش گرمایی متوسط است. این گاز را می توان مستقیما به عنوان سوخت مصرف کـرد آن را به متانول ( متیل الکل ( CH 3 OH یا اتانول ( اتیل الکل ( CH 3 CH 2 OH که سوختهای مایع هستند تبـدیل کرد و یا اینکه آن را به صورت گاز، با ارزش گرمایی بالا در آورد. تبدیل زیست شیمیایی به دو صورت انجـام مـی گیرد: تجزیه ناهوازی و تخمیر. تجزیه ناهوازی مستلزم تجزیه میکروبی بیومـاس اسـت. موجـود نـاهوازی موجـود
26
ریزی است که بدون نیاز به هوا یا اکسیژن می تواند زندگی کند. این موجود می تواند اکسیژن مورد نیاز خـود را از تجزیه ماده ای که در آن است به دست آورد. این نوع موجودات در تجزیه پسمانده های حیـوان دخالـت دارنـد و می توان در تجزیه سایر انواع بیوماس نیز از آنها استفاده کرد. این فرایند در دما های پایین تا 65 درجـه سـانتیگراد صورت می گیرد و حداقل به رطوبتی معادل 80 درصد نیاز دارد. در این فرایند گازی، گه عمدتا شامل دی اکـسید کربن و متان است تولید می شود و گاز محتوی حداقل ناخالصی های ممکن مانند سولفید هیدروﮊن است. این گاز را می توان مستقیما سوزانده یا با جدا کردن CO2 و دیگر ناخالصی ها، آن را به گـاز طبیعـی سـنتزی کـه کیفیـت بالاتری دارد تبدیل کرد. پسمانده های این فرایند شامل لجن و ماده مایع زایدی است که اولی دارای مقـدار زیـادی پروتئین است که از آن می توان به عنوان خوراک حیوانی استفاده کرد و دومـی را مـی تـوان بـه کمـک تکنیکهـای استاندارد زیست شناسی به خاک تبدیل کرد.
تخمیر عبارت است از تجزیه مولکولهای پیچیده به مولکولهـای عـالی در اثـر مخمـری ماننـد خمیرمایـه، بـاکتری، آنزیمها و غیره. تخمیر یک تکنولوﮊی کاملا جا افتاده و بطور وسیع پذیرفته شده برای تبدیل شکر و جو بـه اتـانول است. در سال 1979 در حدود شصت میلیون گالن اتانول در ایالات متحده تولید شد و پیشبینی میشود که مقدار آن در سال 1985 با استفاده از غلات اضافی به پانصد میلیون گالن برسد. در نظـر اسـت کـه اتـانول را بـا بنـزین مخلوط کنند و گاز و هول 90) درصد بنزین و 10 درصد اتانول) بدست آورنـد. ایـن طـرح در سـالهای اول دهـه
1980 به دلیل بالا بودن هزینه تولید و نیاز به انرﮊی زیاد در فرآیند تولید بـا موفقیـت بزرگـی روبـرو نـشد. طـرح دیگری که برای کاهش هزینه تولید اتانول به روش تخمیر تحت مطالعه است، پیـدا کـردن غـلاب یـا مـواد قنـدی ارزانتر و استفاده از روشهای تولیدی است که به انرﮊی کمتری نیاز داشته باشند. برای این منظور، گلوکز تولید شده ناشی از هیدرولیز پلیمر کربوهیدرات که بسیار فراوان هم است، و لیگنوسلولوز نامیده میشـود، مـورد توجـه قـرار گرفته است. مطالعات نشان دادهاند که استفاده از انرﮊی بیوماس را میتوان با انجام طرحهای جنگلکاری وسـیع در مناطقی که برای تولید مواد غذایی مساعد نیستند، عملی کرد. بدین وسیله میتوان از هر جریب (حدود 4000 متـر مربع) در هر سال ده تا بیست تن چوب جنگلی بدست آورد. وسعت جنگل ممکن است به 130 کیـومتر مربـع تـا
520 کیلومترمربع برسد. درختان با بکارگیری ادوات خودکار بریده میشوند و آنگـاه پـس از خـرد شـدن و پـودر شدن، آماده احتراق در نیروگاهی که در میانه جنگل قرار میگیرد میشوند. نیروگاههایی که با بیوماس سوختدهـی میشوند در مقیاسهای کم (کمتر از 100 مگاوات) بارهای پایه و بارهای میانی را در ایالات متحده تغذیه میکننـد.
این منابع قابل تجدید بوده و انتشار دی اکسید کربن را کاهش میدهند. خاکستر حاصل از این نیروگاهها هم دوباره بازیافت شده و بعنوان کود شیمیایی مورد استفاده قرار میگیرد.[17]
نیروگاه های مبدل انرﮊی خورشیدی – حرارتی – الکتریکی ویژگی انرﮊی گرمایی مورد نیاز واحدهای تولید پراکنده که از تبدیل نور و گرما به برق استفاده می کنند وابسته بـه ایجاد نور متمرکز شده، می باشد.
27
بشقابهای سهموی شکل و گیرنده های مرکزی برای تولید دما در رنج 400 تا 500، 800 تا 900 و بیشتر از 500
درجه سانتیگراد استفاده می شوند. بزرگترین ظرفیت نصب ( نزدیک 400 مگا وات ) می باشد. نیروگاه خورشیدی
– حرارتی – الکتریکی از جمع کننده های سهموی و از روغن برای انتقال انرﮊی حرارتی به یک مکـان مرکـزی از طریق سیکل بخار رانکین استفاده می کنند و اضافه بر این، دارای یک آتشدان گـاز طبیعـی بـرای عملکـرد ترکیبـی است. این تکنولوﮊی با نام اختصاری SEGS عرضه شده است و بیشتر از 90 درصد انرﮊی بـرق خورشـیدی را در جهان شامل می شود. این تکنولوﮊی از گاز طبیعی برای جبران تغییرات موقتی انرﮊی تابشی خورشید و بهبود تـوان عرضه شده سیستم، استفاده می کند. این جبران در سـاعات 7 تـا 11 شـب در تابـستان و 8 شـب تـا 5 صـبح در زمستان صورت می گیرد. [14],[4]
مزایای نیروگاههای خورشیدی
‐1 تولید برق بدون مصرف سوخت
‐2 عدم احتیاج به آب زیاد
‐3 عدم آلودگی محیط زیست
‐4 امکان تامین شبکه های کوچک و ناحیه ای
‐5 استهلاک کم و عمر زیاد
‐6 عدم احتیاج به متخصص
نیروگاه تولید همزمان برق، گرما و سرما :1(CHCP)
با استفاده از یک سوخت یا ترکیبی ازسوختهای متفاوت میتوان توسط مجموعه موتور‐ مولـد (یـا مجموعـههـای مبتنی بر توربین) برق تولید کرد. بخش بزرگی از کل گرمای اتلافی حاصل از فرآیند تولید برق را میتـوان توسـط مبدلهای گرمایی بازیافت کرد تا برای مصارف تامین گرمایش فضا، آبگـرم مـصرفی، بخـار مـورد نیـاز فرآینـدهای کارخانهها و... بکار برد. با استفاده از یک چیلر جذبی میتوان از بخشی از گرمای بازیافت شده بـرای تولیـد سـرما بهره گرفت. در نتیجه بطور همزمان میتوان هر سه نوع انرﮊی الکتریکی، گرمایی و سرمایی را تولید کـرد کـه ایـن پدیده بنام تولید همزمان برق، گرما و سرما شناخته میشود. از یک بویلر کمکی نیز مـیتـوان بـرای جبـران کمبـود گرمای مورد نیاز بارهای گرمایی و از یک منبع ذخیره گرما برای ذخیره گرما در مواقعی کـه بـار گرمـایی از میـزان خروجی گرما کمتر است استفاده کرد.
تولید متداول قدرت به طور میانگین تنها %35 بازده دارد، تا حدود %65 ظرفیت انرﮊی بصورت گرمای اتلافی آزاد میشود. جدیدترین تولید سیکل ترکیبی میتواند این بازده را صرفنظر از اتلاف انتقال و توزیع برق، تا %55 بهبـود بخشد. تولید همزمان، این اتلاف را با استفاده گرما در بخـشهای صـنعت، تجـارت و گرمـایش و سـرمایش منـزل کاهش میدهد. تولید همزمان عبارتست از تولید گرما و برق که هردوی آنها مورد استفاده قرار میگیرند. این تولیـد

1- Combined heat and cold and power
28
شامل گسترهای از فناوریها است، ولی معمولا شامل یک مولد برق و یـک سیـستم بازیافـت گرمـایی اسـت. تولیـد همزمان، نیز بعنوان »ترکیب برق و گرما «(CHP) و »انرﮊی کل« شناخته میشود.
در تولید متداول برق، تلفات بیشتر در حدود 5 تا %10 ناشی از انتقال و توزیع برق از نیروگاههای نسبتا دور افتاده تا شبکه برق است. هنگامیکه برق به کوچکترین مشتریان تحویل داده میشود، این تلفات بیشترین مقدار اسـت. بـا بهرهبرداری از گرما، بازده دستگاه تولید همزمان میتواند به %90 یا بیشتر برسد. بعـلاوه، بـرق تولیـد شـده توسـط دستگاه تولید همزمان معمولا بطور محلی استفاده میشود و تلفـات انتقـال و توزیـع قابـل صـرفنظر خواهـد بـود.
بنابراین صرفهجویی پیشنهادی توسط تولید همزمان در مقایسه با تامین برق و گرما توسـط نیروگاههـا و بویلرهـای متداول، در حدود 15 تا %40 خواهد بود.
ازآنجاییکه انتقال برق در مسیرهای طولانی آسانتر و ارزانتر از انتقال گرماست، دستگاه تولید همزمان معمولا هرچـه نزدیکتر به محل مصرف گرما نصب میشود و درحالت ایدهآل ظرفیت آنها را بگونهای درنظر میگیرنـد کـه تـامین کننده نیازهای گرمایی محل باشد. در غیر اینصورت یک بویلر اضافی مورد نیاز است و درنتیجه بخـشی از مزایـای زیست محیطی برآورده نخواهد شد. این بنیادی ترین اصل تولید همزمان میباشد.
هنگامیکه برق کمتر از حد نیاز تولید شود، لازم است تا باقیمانده آنرا خریداری کرد. با این وجود هنگامیکه ظرفیت دستگاه برمبنای نیاز گرمایی است، معمولا برق بیشتری نسبت به نیاز تولید میشود. برق اضافی را میتوان به شـبکه برق فروخت یا از راه شبکه توزیع، به مشتری دیگری تحویل داد. [17]
نیروگاههای آبی کوچک به طور کلی واحدهای آبی کوچک به دو دسته میکرو هیدرو و مینی هیدرو تقسیم می شوند.
در عمل تولید توان الکتریکی برای واحدهای میکروهیدرو در محدوده 5 تا 100 کیلو وات و برای مینی هیدرو در محدوده 500 کیلو وات تا 10 مگا وات می باشد. ارتفاع آب برای چنین واحدهایی می تواند در گستره ای از 1.5
تا 400 متر با محدوده دبی صدها لیتر تا دهها متر مکعب بر ثانیه باشد. [16]
دیزل ﮊنراتور این منابع سالهاست که در تولید برق ضروری مورد استفاده قرار می گیرند. سوخت اصلی آنها مازوت یـا گازوئیـل
است. در نوع جدید از گاز طبیعی به عنوان سوخت استفاده می شود. [16]
چرخ لنگر چرخ لنگر سیستم ذخیره انرﮊی الکترومکانیکی است که انرﮊی را به صورت انرﮊی جنبشی در یـک جـسم گـردان
ذخیره می کند. این سیستمها معمولا به دو صورت روتورهای فولادی و روتورهـایی از جـنس رزیـن سـاخته مـی شوند. در هر دو نوع سیستم، روتور در خلاﺀ می چرخد. در سیستمهای با روتور فولادی، بیشتر بـر ممـان اینرسـی روتور برای ذخیره انرﮊی تاکید دارند و در سیستمهایی با روتور مرکب بیشتر بر سرعت روتور برای ذخیـره انـرﮊی تاکید می کنند. [16]
29
موتورهای رفت و برگشتی موتورهای رفت وبرگشتی، بیشتر از 100 سال سابقه دارند و در واقع اولین مدل از تکنولوﮊی بـا سـوخت فـسیلی
هستند. و در تمامی بخشهای اقتصادی نتایج قابل قبولی داشته اند و انواع مختلف این موتورها از واحـدهای بـسیار کوچک با توان درحد کسری از اسب بخار تا واحدهای بزرگ 60 مگاواتی نیروگاهی ساخته شده اند. تقریبا تمامی موتورهایی که برای تولید انرﮊی بکار گرفته می شوند چهار زمانه هستند و در چهار سیکل عمل می کنند:
ورود ( مکش )
فشرده سازی
احتراق
تخلیه
در شکل زیر مراحل عملکردی موتورهای رفت و برگشتی نشان داده شده است.

شکل (2‐6) مراحل عملکردی موتورهای رفت و برگشتی
تعاریف مربوط به تولید پراکنده
با توجه به وسعت بهره برداری از تولید پراکنده توسط کشورهای مختلف مقررات متفاوتی در هر کـشور بـر تولیـد پراکنده اعمال می شود. بنابراین باید مقررات حاکم بر عملکرد مربوط به تولید پراکنده که در ایـن پـروﮊه در شـبیه سازیها بر تولید پراکنده اعمال شده است بیان شود. این تعاریف و مقررات در زیر شرح داده شده اند.
مکان تولید پراکنده: تولید پراکنده به شبکه توزیع و یا به سایت مصرف کننده متصل است.
هدف تولید پراکنده: تولید پراکنده جهت تولید قسمتی از توان مصرف کننده به صورت آمـاده بـه کـار مـورد بهـره برداری قرار می گیرد.
میزان تولید در تولید پراکنده: هر واحد تولید پراکنده باید حداکثر MW 1/5 تولید نمایـد، در مـورد مزرعـه هـای بادی تولید هر کدام از نیروگاههای بادی نیز از این قاعده پیروی میکنند.
محدودیتهای عملکردی تولید پراکنده دراین تحقیق ما تولید پراکنده را در حالت ماندگار و شبکه توزیع را بدون هیچ خطایی فرض کرده ایم.
30
تولید پراکنده را می توان بر اساس محدودیتهای تولید توان، نوع توان تولیـدی وعوامـل مـوثر در تولیـد تـوان بـه قسمتهای مختلفی تقسیم کرد که در زیر به تفضیل شرح داده شده است.
توربینهای گازی احتراقی، توربینهای کوچک این نوع تولید کننده ها را در صورتی که قابلیت اعمال پخش توان را داشته باشـند، مـی تـوان ماننـد نیروگاههـای
تولید متمرکز که دارای قابلیت پخش توان هـستند مـدل کـرد، ولـی در عـوض دارای محـدودیتهای متفـاوت زیـر میباشند.
الف) تولید توان خروجی: تولید توان خروجی این نوع تولید پراکنده دارای محدودیتهای تـوان مـاکزیمم و مینـیمم می باشد.
pg min ≤ pg ≤ pg max(2-2)
ب) تاخیر تولید: تاخیر تولید، تاخیری طبیعی می باشد و زمانی رخ می دهد که بخواهیم درمدت زمان خاصی تولید توان را افزایش دهیم. تغییرتوان در مدت زمان خاصی دارای محدودیتی است که عبارتنداز:
(2‐3) ∆pgt ≤ ∆pglim it
که در آن ∆Pgt میزان افزایش توان تولیدی خروجی از زمـان t‐1 و t مـی باشـد و ∆pglim it محـدودیت افـزایش
تولید توان می باشد. تولید کننده های انرﮊی نو این نوع تولید کننده ها شامل توربینهای بادی و شبکه های فتوولتاییک می باشند مشخـصه اصـلی ایـن نـوع تولیـد کننده ها این است که در موقعیت های اضطراری قابل پخش توان نیستند و توان خروجی آنها به شدت تحت تـاثیر اثرات محیط می باشد. در بسیاری از انواع این تولید پراکنده توان خروجـی تولیـد پراکنـده، تـابعی از ولتـاﮊ( ( v و
فرکانس ( ( f سیستم، در باسی که تولید پراکنده به آن وصل شده است می باشند. (2‐4)
pg ε( f ,v)
وسایل ذخیره انرﮊی وسایل ذخیره انرﮊی مانند باطری، قابلیت ذخیره وپس دهی انرﮊی را به شبکه در مدت زمان محدود و مـشخص را
دارند. این نوع از تولید پراکنده قابلیت پخش توان و کنترل میزان و مدت تولید توان خروجـی را دارنـد. مـی تـوان مشخصه ریاضی آنها را به طور کلی به صورت زیر تعریف کرد:
2 5 ) ∑pgt .T ≤ E ‐ ) t1: j که در آن؛ pgt ، مقدار توان آزاد شده در مدت زمان T می باشد ؛ E، انرﮊی قابل ذخیره می باشـد؛ و T زمـان آزاد سازی انرﮊی می باشد.
سلولهای سوختی
31
این نوع از تولید پراکنده فقط تولید توان حقیقی می نمایند. بنابراین توان راکتیو مورد نیاز را به طرفی بـا اسـتفاده از وسایل جانبی به کار رفته درشبکه مانند خازنهـای ثابـت، خازنهـای قابـل کنتـرل بـا ضـریب تـوان ثابـت و ادوات الکترونیک قدرت تامین نمود.
کاربردهای تولید پراکنده
تکنولوﮊیهای مختلف کاربردهای مختلفی در شبکه های توزیع دارند. این کاربردها بر اساس نیازمندیهای بار متغیـر است. این کاربردها در انتخاب تولید پراکنده مورد استفاده موثر است. درادامه تعدادی از ایـن کاربردهـا شـرح داده شده اند.
تولید پراکنده آماده به کار تولید پراکنده را می توان به صورت آماده به کار جهت تغذیه توان مورد نیاز بارهـای حـساس بـه کـار بـرد. ماننـد
بیمارستانها و کارخانه ها زمانی که شبکه خارج از سرویس است.
تقسیم پیک بار هزینه توان الکتریکی بر اساس منحنی تقاضای بار و تولید انتظاری موجود در یک زمان، تغییر می نماید. در نتیجـه،
تولیدات پراکنده می توانند جهت تغذیه بارها در زمانهای پیک بار مورد استفاده قرار گیرنـد. بدینوسـیله مـی تـوان هزینه الکتریسیته را برای مصرف کننده های صنعتی که باید هزینه زمان مصرف برق را پرداخت کنند، کاهش داد.
کاربردهای محلی و مناطق دوردست تولید پراکنده می تواند به طور مستقل برای تامین توان مناطق دوردست که دسترسی به شـبکه بـرق ندارنـد مـورد
استفاده قرار گیرد. کاربردهای آن عبارتند از روشنائی، گرمایش، سرمایش، مخابرات و کارگاههای تولیدی کوچـک.
ضمنا تولیدات پراکنده قابلیت پشتیبانی و تنظیم ولتاﮊ در کاربردهای محلی (بارهای حـساس) را هنگـام اتـصال بـه شبکه دارند.
تهیه گرما و الکتریسیته ترکیبی (CHP)
تولیدات پراکنده ای که قابلیت تهیه گرما و الکتریسیته ترکیبی را دارنـد، در مجمـوع دارای رانـدمان انـرﮊی بـالایی هستند. گرمای تولید شده از پروسه تبدیل سوخت به انرﮊی الکتریکی، در خود سایت رنج وسـیعی از کاربردهـا را دارا می باشد، مثل گرم کردن بیمارستانها و مراکز تجاری بزرگ و پروسه های صنعتی.
بار پایه شرکت دارنده تولید پراکنده، معمولا تولید پراکنده را برای تغذیه بار پایه جهت تهیه قسمتی از توان مورد نیاز شبکه مورد استفاده قرار می دهد با این عمل باعث بهبود پروفیل ولتـاﮊ شـبکه، کـاهش تلفـات تـوان و بهبـود کیفیت توان می شود.
نحوه اتصال منابع تولید پراکنده به شبکه
‐1 مستقل از شبکه سراسری برق:
32
برای تامین انرﮊی الکتریکی مورد نیاز مناطق دور از شبکه سراسری برق از این نوع نیروگاهها استفاده می شـود کـه بازده توانی این سیستمها از چند صدوات تا چندین مگاوات متغیر، قابل نصب و راه اندازی می باشـد. کـه ممکـن است یک منبع تولید پراکنده بصورت تنهایی استفاده شود و یا اینکه برای افزایش قابلیت اطمینان از دو یا چند منبع بصورت موازی با هم استفاده گردد.
‐2متصل به شبکه سراسری برق
تقسیم بندی های مختلف تولید پراکنده
تولید پراکنده را می توان از دیدگاههای متفاوتی بررسی کرد. این تقسیم بندی ها بر اساس کاربرد هـای مختلـف و محدودیت های تولید پراکنده و نیز روش استفاده از آنها مطرح می شود. در ذیل این روشها به تفـصیل شـرح داده شده است.
دوره تغذیه و انواع توان تولیدی دوره تولید توان خروجی در تولید پراکنده به طور عمده مطابق اندازه تولید پراکنده نوع و کاربرد آن تغییر مـی کنـد
دوره تغذیه تولید پراکنده می تواند دروه دراز مدت تغذیه انرﮊی الکتریکی در بار پایه باشد، حالـت گـذاری تغذیـه انرﮊی الکتریکی که شامل تولید کننده های انرﮊی نو می باشد و دوره کوتاه مدت تغذیه انرﮊی الکتریکی که جهـت پشتیبانی از تغذیه شبکه مورد استفاده قرار می گیرد. با یک ساده سازی مطابق میزان تولیـد تـوان الکتریکـی دوره و نوع آن می توان مطابق جدول((2‐1 تقسیم بندی از تولید پراکنده بوجود آورد.
جدول((2‐1 تقسیم بندی تولید پراکنده دوره تغذیه توان نوع تولید پراکنده نکات توربین های گازی وسلولهای سوختی ‐ تولیــد تــوان حقیقــی و موهــومی بــه غیــر از بلند مدت سلولهای سوختی که تولید توان حقیقی تنهـا مـی نمایند. ‐ بعنوان بار پایه مورد استفاده قرار می گیرند. تغذیه غیر دائم سیــستم هــای انــرﮊی نو،نیروگاههــای ‐ وابسته به شرایط محیطی ‐ فقط توان حقیقی تولید میکنند. PVوWT ‐ در جاهای دور دست استفاده می شوند. کوتاه مدت باطریها، سلولهایPV، واحدهای ذخیره ‐ برای تضمین تداوم تغذیه به کار می روند. انرﮊی ‐ ذخیره انرﮊی برای استفاده کوتاه مدت 33
ظرفیت های تولید پراکنده
تولیدات پراکنده را مطابق جدول (2‐2) به چهار دسته از نظر ظرفیت تولید تقسیم نموده ایم. این ظرفیت ها دارای رنج تغییرات وسیعی از یک واحد کوچک تا تعداد زیادی واحدهای بهم پیوسته در حالت ماﮊولار می باشند.
جدول((2‐2 تقسیم بندی تولید پراکنده

مقدار ظرفیت تولید پراکنده


5KW-1W Micro
5MW-5KW Small
5MW-50MW Medium
50MW-300MW Large

نوع توان تولید شده جریان الکتریسیته خروجی می تواند هم مستقیم و هم متناوب باشـد. سـلولهای سـوختی، سـلولهای فتوولتائیـک و
باطریها جریان مستقیم تولید می نمایند، که برای بارهای DC مناسب است. همچنین می تـوانیم بوسـیله مبـدلهایی الکترونیک قدرت این جریان مستقیم را به جریان متناوب و قابل تزریق به شبکه تبـدیل نمـود. انـواع دیگـر تولیـد پراکنده، همچون توربینهای کوچک و توربینهای بادی تولید جریان متناوب می نمایند که در بسیاری از مـوارد بایـد توسط کنترل کننده های مدرن الکترونیک قدرت به گونه ای کنترل شوند که ولتاﮊ خروجی تنظـیم شـده ای داشـته باشند.
تکنولوﮊی روش دیگر دسته بندی تولیدات پراکنده می تواند مطابق نوع سوخت مصرفی آنها باشد. ایـن سـوختها مـی تواننـد
فسیلی یا غیر فسیلی باشند. دسته بندی ذکر شده مطابق جدول((2‐3 بر تولیدات پراکنده اعمال شده است.
جدول((2‐3 دسته بندی تولید پراکنده بر اساس مصرف سوخت
تولید پراکنده تکنولوﮊی توربین های کوچک و سلول های سوختی تکنولوﮊی سوختهای فسیلی وسایل ذخیره انرﮊی و تولید کننده های انرﮊی نو تکنولوﮊی مبتنی بر منابع غیر فسیلی 34
تلفات توان در شبکه های توزیع شعاعی[17]
در شکل (2‐7) یک شبکه شعاعی نشان داده شده است که در طرف بار آن یک تولید پراکنده وصـل شـده اسـت.
تلفات توان را بدون تولید پراکنده در این شبکه ها به سادگی می توان با جمع کردن توان تلف شده در هر خط بـه دست آورد. توان تلف شده در هر خط به صورت زیر محاسبه می شود:
(2‐6) plossi  Ii.2 Ri
= Ri مقاومت خط i ام : Ii جریان خط i ام
شکل (2‐7) شبکه شعاعی معمولی
با توجه به شکل (2‐7) زمانی که تولید پراکنده به سیستم اضافه می شود توانی که بـار بایـد از منبـع جـذب کنـد کاهش یافته و مابتفاوت را از تولید پراکنده جذب می نماید. در این حالت هم مجموع تلفات توان در خطوط را بـه عنوان تلفات شبکه می شناسیم.
(2‐7) ploss  ∑Ii2 .Ri :n تعداد خطوط i:1,n :Ii جریان جدید خط i ام :Ri مقاومت خط i ام نتیجه گیری
در این فصل با بررسی انواع تولید پراکنده مشخصات عمومی هر کدام مزایا و معایـب آنهـا را مـورد بررسـی قـرار دادیم. سپس با ارایه تعاریفی محدوده کاربرد تولید پراکنده را معین نمودیم. در ادامه به کاربردهـای مختلـف تولیـد پراکنده اشاره نموده و در ضمن به تقسیم بندی انواع تولید پراکنـده بـر اسـاس فاکتورهـای متفـاوتی پـرداختیم. در نهایت موضوع تلفات در شبکه های توزیع به همراه تولید پراکنده و بدون آن، به طور مختصر مـورد بررسـی قـرار دادیم.
35

فصل سوم:

—d1896

4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].
این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].


3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا

—d1965

2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان12
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D16
فصل سوم: مواد و روشها
3-1 مقدمه22
3-2 نحوه انجام آزمایشات22
3-2-1 مخزن23
3-2-2 پمپ23
3-2-3 کانال آزمایشگاهی23
3-2-4 مخزن آرام کننده جریان24
فهرست مطالب
عنوان صفحه
3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز - دریچه24
3-3 آنالیز ابعادی25
3-4 شبیهسازی عددی27
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3D28
3-4-2 معادلات حاکم32
3-4-3 مدلهای آشفتگی33
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهای35
3 -4-3-2 مدلهای یک معادلهای35
3-4-3-3 مدلهای دو معادلهای36
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنش36
3-4-4 شبیهسازی عددی مدل37
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدل38
3-4-4-2 شبکه بندی حل معادلات جریان38
3-4-4-3 شرایط مرزی کانال40
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدل41
3-4-4- 5 شرایط اولیه جریان43
3-4-4-6 زمان اجرای مدل43
فصل چهارم: نتایج و بحث
4-1 مقدمه46
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب46
4-2-1 واسنجی نرمافزار46
4-2-1-1 ارزیابی نرمافزارپ48
4-2-1-2 بررسی تأثیر انقباض جانبی سازه ترکیبی سرریز - دریچه بر هیدرولیک جریان54
فهرست مطالب
عنوان صفحه
4-3 شبیهسازی آبشستگی پاییندست جریان59
4-3-1 واسنجی نرمافزار59
4-3-1-1 ارزیابی نتایج نرمافزار61
فصل پنجم: پیشنهادها
5-1 مقدمه70
5-2 نتیجهگیری70
5-3 پیشنهادها71
منابع74

فهرست جدول‌ها
عنوان صفحه
جدول 3- 1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریان25
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3D28
ادامه جدول 3-229
جدول 3- 3 محدوده دادههای به کار رفته جهت شبیهسازی آبشستگی38
جدول 3- 4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار40
جدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزار41
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوب42
جدول 4- 1 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-1)51
جدول 4- 2 نتایج حاصل از مدلسازی سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی برای نسبت دبیها55
جدول 4- 3 تأثیر پارامتر عدد شیلدز بحرانی بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 4 تأثیر پارامتر ضریب دراگ بر حداکثر عمق آبشستگی60
جدول 4- 5 تأثیر زاویه ایستایی بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4-6 تأثیر پارامتر حداکثر ضریب تراکم مواد بستر بر حداکثر عمق آبشستگی61
جدول 4- 7 بهترین مقادیر برای پارامترهای مؤثر در شبیهسازی حفره آبشستگی61
جدول 4- 8 نتایج آمارهای خطا مربوط به فرمول (4-4)65
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
TOC h z t "fig,1,table,1" شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه5
HYPERLINK l "_Toc366000088" شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی8
HYPERLINK l "_Toc366000089" شکل 2- 1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی12
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی12
شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)14
شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)14
شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی درحین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) 15
شکل 3- 1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک23
شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک24
شکل 3- 3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریان25
شکل 3- 4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب26
شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی30
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه30
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه30
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض31
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازه31
شکل 3- 10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک39
شکل 3- 11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ40
شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلب40
شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوب41
شکل 3- 14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان43
شکل 3- 15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی43
شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی46
شکل 4- 2 مقایسه پروفیل سطح آب در دو مدل تلاطمی k-ε RNG و k-ε و دادههای آزمایشگاهی47
شکل 4- 3 مقایسه پروفیل سطح آب در مدل تلاطمی k-ε RNG با دادههای آزمایشگاهی49
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4-4 ارزیابی دقت مدل RNG k-ε برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی سرریز- دریچه49
شکل 4- 5 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs / Qg)51
شکل 4- 6 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی52
شکل 4- 7 مقایسه رابطه نسبت دبیها درسازه ترکیبی سرریز- دریچه با روابط تجربی برای تخمین دبی در سرریز و ریچه52
شکل 4- 8 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 9 توزیع فشار جریان عبوری از سازه ترکیبی در طول کانال با استفاده از مدل RNG k-ε53
شکل 4- 10 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 11 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی سرریز - دریچه54
شکل 4- 12 شماتیکی از جریان عبوری از سازه ترکیبی دارای انقباض جانبی54
شکل 4-13 توزیع تنش برشی کف در اطراف سازه ترکیبی با انقباض جانبی55
شکل 4-14 مقایسه عمق جریان درعرض کانال دربلافاصله قبل از سازه برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه رکیبی56
شکل 4-15 مقایسه عمق جریان در طول کانال برای میزان انقباضهای جانبی مختلف سازه ترکیبی56
شکل 4-16 توزیع مؤلفه طولی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-17 توزیع مؤلفه طولی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض57
شکل 4-18 توزیع مؤلفه عرضی سرعت در زیر سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4-19 توزیع مؤلفه عرضی سرعت روی سازه در دو حالت با انقباض و بدون انقباض58
شکل 4- 20 مقایسه دقت شبیهسازی حفره آبشستگی با استفاده از مدلهای مختلف آشفتگی59
شکل 4- 21 ارزیابی دقت نرمافزار برای عمق جریان در بالادست و روی سازه ترکیبی62
شکل 4- 22 ارزیابی دقت نرمافزار برای حداکثر عمق آبشستگی62
شکل 4- 23 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در بستر متحرک63
فهرست شکل‌ها
عنوان صفحه
شکل 4- 24 نمایش چگونگی رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب64
شکل 4- 25 نمودار تغییرات نسبت دبیهای نرمافزار و مشاهداتی65
شکل 4-26 توزیع مؤلفه طولی سرعت جریان در اطراف سازه ترکیبی66
شکل 4-27 الگوی جریان اطراف سازه ترکیبی سرریز – دریچه (الف. بردارهای سرعت ب. خطوط جریان)66
شکل 4-28 توزیع تنش برشی در اطراف حفره آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه در ابتدای اجرای برنامه67
شکل 4- 29 مقایسه رابطه پارامترهای بیبعد مؤثر بر جریان عبوری از سازه ترکیبی با نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (Qs/Qg) برای بستر رسوب و بستر صلب67
شکل 4-30 نمودار رابطه حداکثر عمق آبشستگی با نسبت دبیهای عبوری از رو و زیر سازه ترکیبی68

18849116456969
فصل اول
مقدمه
1-1- مقدمه
یکی از عمده‌ترین مشکلات سازه‌هایی از قبیل سرریزها، دریچه‌ها و حوضچه‌های آرامش که در بالادست بسترهای فرسایش‌پذیر قرار دارند، آبشستگی در مجاورت سازه است که علاوه‌بر تأثیر مستقیم بر پایداری سازه، ممکن است باعث تغییر مشخصات جریان و در نتیجه تغییر در پارامترهای طراحی سازه شود. به دلیل پیچیدگی موضوع، اکثر محققین آن را به صورت آزمایشگاهی بررسی کردهاند که با وجود تمام دستآوردهای مهمی که تاکنون در زمینه آبشستگی موضعی حاصل گردیده است، هنوز هم شواهد زیادی از آبشستگی گسترده در پایاب دریچه‌ها، سرریزها، شیب‌شکن‌ها، کالورت‌ها و مجاورت پایه‌های پل دیده می‌شود که می‌تواند پایداری این سازهها را با خطرات جدی مواجه کند.
پدیده آبشستگی زمانی اتفاق می‌افتد که تنش برشی جریان آب عبوری از آبراهه، از میزان بحرانی شروع حرکت ذرات بستر بیشتر شود. تحقیقات نشان داده است که عوامل بسیار زیادی بر آبشستگی در پایین‌دست سازه تأثیرگذار هستند که از جمله آنها می‌توان به اندازه و دانه‌بندی رسوبات، عمق پایاب، عدد فرود ذره، هندسه سازه و ... اشاره کرد (کوتی و ین (1976)، بالاچاندار و همکاران (2000)، کلز و همکاران (2001)، لیم و یو (2002)، فروک و همکاران (2006)، دی و سارکار (2006) و ساراتی و همکاران (2008)).
دریچهها و سرریزها به طور گسترده به منظور کنترل، تنظیم جریان و تثبیت کف، در کانالهای باز مورد استفاده قرار میگیرند. بر اثر جریان ناشی از جت عبوری از رو یا زیر سازهها، امکان ایجاد حفره آبشستگی در پاییندست سازهها وجود دارد که ممکن است پایداری سازه را به خطر اندازد؛ بنابراین تعیین مشخصات حفره آبشستگی مورد توجه محققین هیدرولیک جریان قرار گرفته است.
به منظور افزایش بهره‌وری از سازههای پرکاربرد سرریزها و دریچهها، می‌توان آنها را با هم ترکیب نمود به‌طوری‌که در یک زمان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. با ترکیب سرریز و دریچه می‌توان دو مشکل عمده و اساسی رسوب‌گذاری در پشت سرریزها و تجمع رسوب و مواد زائد در پشت دریچه‌ها را رفع نمود. در سازه ترکیبی سرریز- دریچه، شرایط هیدرولیکی جدیدی حاکم خواهد شد که با شرایط هیدرولیکی هر کدام از این دو سازه به‌تنهایی متفاوت است.
1-2 تعاریف1-2-1 سرریزها
یکی از سازههای مهم هر سد را سرریزها تشکیل میدهند که برای عبور آب اضافی و سیلاب از سراب به پایاب سدها، کنترل سطح آب، توزیع آب و اندازهگیری دبی جریان در کانالها مورداستفاده قرار میگیرد. با توجه به حساس بودن کاری که سرریزها انجام میدهند، باید سازهای قوی، مطمئن و با راندمان بالا انتخاب شود که هر لحظه بتواند برای بهرهبرداری آمادگی داشته باشد.
معمولاً سرریزها را بر حسب مهمترین مشخصه آنها تقسیمبندی میکنند. این مشخصه میتواند در رابطه با سازه کنترل و کانال تخلیه باشد. بر حسب اینکه سرریز مجهز به دریچه و یا فاقد آن باشد به ترتیب با نام سرریزهای کنترلدار و یا سرریزهای بدون کنترل شناخته میشوند.
1-2-2 دریچهها
دریچهها سازههایی هستند که از فلزات، مواد پلاستیکی و شیمیایی و یا از چوب ساخته میشوند. از دریچهها به منظور قطع و وصل و یا کنترل جریان در مجاری عبور آب استفاده میشود و از لحاظ ساختمان به گونهای میباشند که در حالت بازشدگی کامل عضو مسدود کننده کاملاً از مسیر جریان خارج میگردد.
دریچهها در سدهای انحرافی و شبکههای آبیاری و زهکشی کاربرد فراوان دارند. همچنین برای تخلیه آب مازاد کانالها، مخازن و پشت سدها به کار میروند (نواک و همکاران، 2004).
دریچهها به صورت زیر دستهبندی میشوند:
بر اساس محل قرارگیری: دریچههای سطحی و دریچههای تحتانی. دریچه سطحی تحت فشار کم و دریچه تحتانی تحت فشار زیاد قرار میگیرند.
بر اساس کاری که انجام میدهند: دریچههای اصلی، تعمیراتی و اضطراری. دریچه اصلی به طور دائم مورد بهرهبرداری قرار میگیرند. برای تعمیرات از دریچه تعمیراتی و در زمان حوادث از دریچه اضطراری استفاده میشود.
بر اساس مصالح بدنه: دریچههای فولادی، آلومینیومی، بتنی مسلح، چوبی و پلاستیکی. دریچه فولادی به خاطر استقامت زیاد به صورت وسیع مورد استفاده قرار میگیرد.
بر اساس نوع بهرهبرداری: دریچههای تنظیم کننده دبی و دریچههای کنترلکننده سطح آب
بر اساس مکانیزم حرکت: دریچههای خودکار، هیدرولیکی، مکانیکی، برقی و دستی. دریچه خودکار بر اساس نیروی شناوری و وزن دریچه و بدون دخالت انسان کار میکند. دریچه هیدرولیکی بر اساس قانون پاسکال عمل مینماید. دریچه برقی از دستگاههای برقی، دریچه مکانیکی با استفاده از قانون نیرو و بازو و بالاخره دریچه دستی به صورت ساده با دست جابهجا میشوند.
بر اساس نوع حرکت: دریچههای چرخشی، غلطان، شناور و دریچههایی که در امتداد یا در جهت عمود بر جریان حرکت مینمایند.


بر اساس انتقال فشار آب: دریچهها ممکن است فشار را به طرفین یعنی به پایههای پل یا به تکیهگاهها منتقل نمایند و یا ممکن است نیروی فشار آب بر کف منتقل شود و یا ممکن است نیروی فشار آب به هر دو یعنی هم تکیهگاهها و هم بر کف منتقل شود.
1-2-3 سازه ترکیبی سریز – دریچهترکیب سرریز - دریچه یکی از انواع سازههای هیدرولیکی میباشد که در سالهای اخیر عمدتاً برای عبور سیال در مواردی که سیال حاوی سرباره و رسوب به صورت همزمان میباشد (مانند کانال عبور فاضلاب) بکار رفته است. سازه ترکیبی سرریز - دریچه با تقسیم دبی عبوری از بالا و پایین خود از انباشت سرباره و رسوب در پشت سازه جلوگیری میکند. از دیگر کاربردهای عملی این ترکیب، میتوان انواع سدهای تأخیری را نام برد. در سدهای تأخیری برای جلوگیری از انباشت رسوب در پشت سد که منجر به کاهش حجم مفید مخزن میگردد اقدام به تعبیه تخلیهکنندههای تحتانی میگردد. از طرف دیگر این نوع سدها به علت برآورد اهداف طراحی و عبور سیلابهای محتمل به صورت روگذر نیز عمل میکنند که از این دو جهت، مدل ترکیبی سرریز - دریچه ایده مناسبی برای تحلیل این نوع سدها میباشد. اگرچه این نوع سازه دارای کاربرد فراوانی در سازههای هیدرولیکی میباشد.
جهت به حداقل رساندن مشکلات در سرریزها و دریچه‌ها و همچنین جهت بالا بردن مزایای آنها می‌توان از سازه ترکیبی سرریز - دریچه استفاده کرد به طوری که در یک زمان، جریان آب بتواند هم از روی سرریز و هم از زیر دریچه عبور نماید. این وسیله ترکیبی می‌تواند مشکلات ناشی از فرسایش و رسوبگذاری را مرتفع نماید (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین با این روش، رسوبات و مواد زائد در پشت سرریزها انباشته نمی‌‌‌شوند (ماخرک، 1985).
مشکلاتی را که در اثر وجود مواد رسوبی یا شناور در آب انتقالی برای آبیاری حاصل می‌شود، می‌توان با استفاده از سازه ترکیبی سرریز - دریچه به مقدار زیادی کاهش داده که امکان اندازه‌گیری دقیق‌تر و ساده‌تر را به همراه دارد ( اسماعیلی و همکاران، 1385).
سیستم سرریز - دریچه امکان عبور جریان را از پایین و بالای یک مانع افقی در قسمت میانی مجرا به طور همزمان فراهم نموده، بدین صورت که مواد قابل رسوب را در پشت دریچه به صورت زیرگذر و مواد شناور را به صورت روگذر سرریز عبور میدهد (شکل 1- 1).
331470506095جریان عبوری از زیر دریچه
00جریان عبوری از زیر دریچه
267970163195جریان عبوری از روی سرریز
00جریان عبوری از روی سرریز
138620527622500143446560769500
شکل 1- 1 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچهاز اینرو تعیین شکل و حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی به منظور تثبیت وضعیت بستر میتواند مفید واقع شود.
1-2-4 آبشستگیآبشستگی یکی از موضوعات مهم و قابل توجه در مهندسی رودخانه و هیدرولیک جریان در بسترهای آبرفتی میباشد. چنانچه در یک بازه مورد بررسی، مقدار رسوب وارد شده کمتر از مقدار رسوب خارج شده باشد، عمل فرسایش کف رودخانه و یا بدنه آن رخ میدهد و کف رودخانه بتدریج عمیق میشود. از جمله اثرات منفی گود شدن بستر رودخانه، میتوان به شکست برشی و لغزش در بستر و نیز گرادیان هیدرولیکی خروجی اشاره کرد که در نهایت، افزایش فشار بالابرنده و ایجاد پدیده تراوش را در پی دارد.
به فرسایش بستر و کناره آبراهه در اثر عبور جریان آب، به فرسایش بستر در پاییندست سازههای هیدرولیکی به علت شدت جریان زیاد و یا به فرسایش بستر در اثر بوجود آمدن جریانهای متلاطم موضعی، آبشستگی گویند. عمق ناشی از فرسایش بستر اولیه را عمق آبشستگی مینامند. (کتاب هیدرولیک کانالهای روباز، دکتر ابریشمی)
از آنجا که مکانیزم عمل آبشستگی در مکانهای مختلف متفاوت میباشد، از این رو آبشستگی را به دو نوع تقسیمبندی میکنند:
نوع اول آبشستگی تنگشدگی میباشد. این نوع آبشستگی در دو حالت اتفاق می‌افتد:
الف) در جایی که رودخانه هنوز به حالت تعادل نرسیده و پتانسیل حمل رسوب در بازه‌ای از رودخانه بیش از میزان رسوب ورودی به این بازه باشد.
ب) در جایی که سرعت جریان به دلایلی مانند کاهش مقطع رودخانه در محل پل‌ها، افزایش پیدا می‌کند که در مقطع تنگ شده آبشستگی اتفاق می‌افتد.
در محل احداث پل، آبشکن و یا دیواره ساحلی معمولاً عرض رودخانه را کاهش می‌دهند. این عمل باعث می‌شود که سرعت جریان در این محدوده افزایش یابد. در نتیجه به ظرفیت حمل رسوب افزوده شده و سبب خواهد شد تا بستر رودخانه در این محل فرسایش یابد. عمل فرسایش آنقدر ادامه می‌یابد تا ظرفیت حمل رسوب کاهش یافته و برابر با ظرفیت حمل رسوب در مقطع بالادست گردد. در این حالت، نرخ فرسایش در این محل کمتر می‌شود. هر چند این فرسایش موجب می‌شود که تأثیر پسزدگی آب در بالادست کاهش یابد ولی به خاطر این مسئله نباید اجازه داده شود تا فرسایش صورت گیرد زیرا آبشستگی باعث خطرات جدی مثل واژگونی پل می‌گردد.
نوع دیگر آبشستگی، آبشستگی موضعی است. این نوع آبشستگی در پاییندست سازههای هیدرولیکی، در محل پایههای پل و به طور کلی هر مکانی که شدت جریانهای درهم به طور موضعی افزایش یابد، بوجود میآیند.
آبشستگی موضعی پاییندست سازههای هیدرولیکی نظیر سدها، سرریزها، شوتها، سازههای پلکانی و ... پدیده طبیعی است که به‌دلیل وجود سرعت محلی بیش از سرعت بحرانی بوجود میآید و دلایل آن را میتوان به صورت زیر بیان کرد:
ناکافی بودن مقدار استهلاک انرژی
تشکیل پرش هیدرولیکی ناپایدار و یا انتقال پرش خارج از کف حوضچه آرامش
بوجود آمدن جریانهای گردابی در پاییندست سازههای هیدرولیکی
شکل (1- 2) چند نوع سازه هیدرولیکی و آبشستگی پاییندست آنها را نشان میدهد.

شکل 1- 2 آبشستگی موضعی پاییندست برخی از سازههای هیدرولیکی (استاندارد آب و آبفا، 1389)
میزان عمق آبشستگی برای هر یک از سازهها بستگی به شرایط هیدرولیکی جریان و مشخصات رسوب و شرایط هندسی سازه دارد. تخمین میزان عمق آبشستگی از اینرو اهمیت دارد که ممکن است باعث تخریب سازه گردد.
به طور کلی آبشستگی در اثر اندرکنش نیروهای زیر حاصل میشود:
1- نیروی محرک ناشی از جریان که در راستای جدا کردن ذره از بستر عمل میکند.
2- نیروی مقاوم ناشی از اصطکاک ذرات و وزن ذره که در برابر حرکت ذره مقاومت کرده و مانع جدایی ذره از بستر میشود.
جریانها در محل وقوع آبشستگی، یک فرآیند دوفازی (آب و رسوب) است. بنابراین آبشستگی متأثر از متغیرهای بسیاری از قبیل پارامترهای جریان، مشخصات بستر آبرفتی، زمان و هندسه آبراهه میباشد. به همین دلیل، محققین هر یک به مطالعه بخشی از این وقایع پرداخته و آن را به صورت آزمایشگاهی و تجربی بررسی کردهاند.
1-3 ضرورت انجام تحقیقاز آنجایی که در سازه‌های ترکیبی سرریز - دریچه، تداخل جریان از زیر دریچه و روی سرریز باعث اختلاط شدید در جریان، تغییرات در توزیع تنش‌های برشی کف و از این‌رو افزایش پیچیدگی محاسبات می‌شود، بنابراین شبیه‌سازی الگوی جریان، سطح آزاد آب و آبشستگی مورد توجه محققین قرار دارد و لذا در این تحقیق، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان در بستر صلب، توانایی نرمافزار Flow3D در شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و آبشستگی مورد ارزیابی قرار خواهد گرفت‌.
1-4 اهداف تحقیقتحقیق انجام شده به منظور پاسخگویی به اهداف زیر صورت گرفته است:
1- بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه در بستر صلب و مدلسازی عددی آن با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن دو
2- مدلسازی عددی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی با نرمافزار Flow3D و مقایسه نتایج حاصل از آن با نتایج بدست آمده از بررسیهای آزمایشگاهی توسط محققین دیگر
3- ارزیابی دقت مدلهای تلاطمی نرمافزار Flow3D در شبیهسازیهای عددی الگوی جریان و آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز – دریچه در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی
4- محاسبه نسبت دبی عبوری از بالای سرریز به زیر دریچه با استفاده از مدل Flow3D
1- 5 ساختار کلی پایاننامهاین تحقیق در پنج فصل به شرح زیر تدوین شده است:
فصل اول- کلیات: که شامل مقدمهای بر سرریزها، دریچهها و مبانی ترکیب این دو سازه بوده و همچنین در رابطه با هیدرولیک جریان و آبشستگی در پای هر کدام از سازههای سرریز یا دریچه و یا سازه ترکیبی سرریز - دریچه کلیاتی ارائه گردیده است.
فصل دوم- بررسی منابع: در این فصل، پیشینه تحقیقها در زمینه هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه، آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی و همچنین مطالعات انجام شده توسط نرم‌‌افزار Flow3D بررسی خواهد شد.
فصل سوم- مواد و روشها: این فصل شامل معرفی مواد و روشهای تحقیق، آشنایی با نرمافزار Flow3D و مراحل مدلسازی است.
فصل چهارم- نتایج و بحث: در این فصل، نتایج ارائه شده شامل دو بخش است. بخش اول مربوط به نتایج آزمایشات انجام شده در بستر صلب مربوط به جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز – دریچه و بخش دوم مربوط به نتایج شبیهسازی عددی الگوی جریان، پروفیل و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی است.
فصل پنجم- نتیجهگیری و پیشنهادها: این فصل دربرگیرنده نتایج بدست آمده از تحلیلها به همراه پیشنهادهایی برای تحقیقات بعدی است.
فصل دوم
مروری بر منابع
2-1 مرور منابع
در این فصل، بررسی منابع و سوابق تحقیق در دو بخش مطالعات آزمایشگاهی و مطالعات عددی توسط نرمافزار Flow3D ارائه میشود که ابتدا مطالعات آزمایشگاهی در دو حالت بستر صلب و متحرک ارائه شده و سپس مطالعات عددی با نرمافزار Flow3D نام برده میشود. چون در مورد جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌– دریچه، مدلسازی با نرمافزار Flow3D تاکنون انجام نگرفته است مطالعات عددی نرمافزار Flow3D در همه زمینهها اشاره شده است.
2-2 مطالعات آزمایشگاهی جریان
از جمله مطالعات آزمایشگاهی هیدرولیک جریان در سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه، میتوان به مطالعات نجم و همکاران (1994) اشاره کرد. ایشان پارامترهای هندسی و هیدرولیکی مؤثر بر روی جریان ترکیبی را مورد بررسی قرار داده و برای جریان سرریز مثلثی روی دریچه مستطیلی، سرریز و دریچه مستطیلی با ابعاد تنگشدگیهای مختلف به طور جداگانه معادلاتی استخراج کردند. همچنین حالتی را که تنگشدگی دریچه و سرریز یکسان یا متفاوت باشد نیز به طور جداگانه مورد بررسی قرار دادند. این محققین همچنین برای شرایط مختلف مانند استفاده از سرریز مثلثی با زاویههای مختلف و یا سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی (شکل 2-1) و بدون فشردگی جانبی (شکل 2-2) روابط جداگانهای به صورت رابطههای (2-1) تا (2-4) ارائه دادند.

شکل 2-‌1 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز‌- دریچه مستطیل شکل با فشردگی جانبی
شکل 2- 2 جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه بدون فشردگی جانبی41052753175(2- 1)
00(2- 1)
Cd=Qc(b1d2gd+y+h-hd+232gb-0.2hh1.5)4274820140335(2- 2)
00(2- 2)
Qu=23Cu2g(b-0.2h)h1.54105275112395(2- 3)
00(2- 3)
Ql=Clb1d2g(d+y+h-hd)429387059690(2- 4)
00(2- 4)
Qc2gb(d1.5 )=Cl1+yd+hd+hdd+23Cu(hd)32شیواپور و پراکاش (2004)، به بررسی دبی جریان از روی سرریز مستطیلی و از زیر دریچه V شکل پرداختند. طبق نتایجی که ایشان گرفتند زمانی که از دریچه V شکل و کج استفاده میشود دبی کانالهای مستطیلی با بستر ثابت با دقت بالاتری قابل تخمین است.
اسماعیلی و فتحیمقدم (1385)، به بررسی آزمایشگاهی هیدرولیک جریان و تعیین ضریب دبی مدل سرریز‌- دریچه در کانالهای دایروی و جریانهای زیرگذر و روگذر با نصب مانع با عرضهای مختلف پرداختند.
سامانی و مظاهری (1386)، به بررسی تخمین رابطه دبی جریان عبوری از روی سرریز و زیر دریچه در حالتهای مستغرق و نیمهمستغرق پرداختند. نتایج بررسی هیدرولیک جریان ایشان نشان میدهد که سیستم سرریز- دریچه، موجب اصلاح خطوط جریان شده، شرایط جریان را به حالت تئوریک نزدیکتر و در نتیجه، واسنجی ضریب شدت جریان سیستم سرریز - دریچه و تخمین دبی جریان با دقت بیشتری نسبت به سرریزهای معمولی انجام میشود.

شکل 2- 3 نمایی از مدلهای آزمایشگاهی جریان مستغرق و نیمه مستغرق (سامانی و مظاهری، 1386)

رضویان و حیدرپور (1386)، با بررسی خطوط جریان ترکیبی از روی سرریز مستطیلی با فشردگی جانبی و زیر دریچه مستطیلی بدون فشردگی جانبی در حالت لبهتیز، معادلهای برای ضریب شدت جریان پیشنهاد کردند.
تاکنون پژوهشهایی در زمینه آبشستگی پاییندست سازه ترکیبی سرریز - دریچه انجام شده است. اولین بار در سال 1987 یک سری آزمایش توسط آقای اویماز در آزمایشگاه سازههای هیدرولیکی استانبول بر روی آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز- دریچه صورت گرفته است. شکل (2-4) نمایی از مدل شبیهسازی جریان کار ایشان را نمایش میدهد.

شکل 2- 4 مدل شبیهسازی شده جریان و حفره آبشستگی جریان ترکیبی (اویماز، 1987)
ایشان برای 2 نوع دانهبندی و رسوب غیرچسبنده آزمایشات خود را اجرا نمودند. همچنین تمامی آزمایشات یک بار برای دریچه تنها و یک بار در حالت ترکیب دریچه و سرریز انجام دادند. پس از انجام آزمایشات، دادههای بدست آمده را تجزیه و تحلیل نموده تا به یک رابطه رگرسیونی خطی لگاریتمی بین پارامترهای عمق آبشستگی با قطر رسوبات و ارتفاع آب پاییندست برسند. نتایج تحقیق ایشان نشان می‌دهد که آبشستگی در پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که تنها جریان از زیر دریچه را داریم. همچنین عمق آبشستگی بستگی زیادی به مقدار دبی جریان دارد.
دهقانی و همکاران (2009) به بررسی آزمایشگاهی حداکثر عمق آبشستگی پاییندست سرریز تنها، دریچه تنها و سازه ترکیبی سرریز - دریچه بدون انقباض پرداختند. نکته جالبی که در کار آزمایشگاهی ایشان دیده شده است رفتار نوسانی روند فرسایش و رسوبگذاری به صورت پر و خالی شدن حفره آبشستگی است. حفره آبشستگی ابتدا عمیق میشود، سپس با وجود جریانهای برگشتی کمی رسوبات فرسایش یافته به درون حفره برمیگردد و حفره کمی پر میشود. سپس دوباره حفره توسط گردابههای زیر دریچه عمیق میشود و روند پر و خالی شدن ادامه مییابد (شکل 2- 5). البته این روند با گذشت زمان کندتر شده و شکل حفره در حوالی زمان تعادل تقریباً ثابت میشود (دهقانی و همکاران، 2010).
همچنین بررسیهای ایشان نشان داد که حداکثر عمق آبشستگی پای سازه ترکیبی سرریز - دریچه خیلی کمتر از زمانی است که جریان تنها از روی سرریز عبور میکند و این نتیجه با نتایج کار آقای اویماز (1985) تطابق دارد.

شکل 2- 5 فرآیند پر و خالی شدن حفره آبشستگی در حین برخی از آزمایشات (دهقانی و بشیری، 2010) شهابی و همکاران (1389) به بررسی آزمایشگاهی مشخصات حفره آبشستگی در پاییندست سرریز و دریچه ترکیبی پرداختند. نتایج این بررسی آزمایشگاهی نشان داد که عمق آبشستگی پایین‌دست سازه ترکیبی سرریز - دریچه کمتر از عمق آبشستگی پاییندست سرریز میباشد. همچنین مشخصههای حفره آبشستگی، با افزایش عدد فرود (Fr)، افزایش مییابد و در ارتفاع ریزش ثابت برای جت عبوری از روی آن، با افزایش بازشدگی دریچه، حداکثر عمق آبشستگی کاهش مییابد. نتایج انجام آزمایشات در حالت وجود انقباض نشان می‌دهد که با ایجاد انقباض در دریچه یا سرریز به دلیل تمرکز بیشتر جت، حداکثر عمق آبشستگی، طول حفره آبشستگی و طول رسوبگذاری به ترتیب افزایش، افزایش و کاهش مییابد. همچنین نتایج آزمایش بر روی کفبند پاییندست سازه ترکیبی نشان داد که چنانچه طول کفبند از فاصله برخورد جت بالادست به کف کانال بیشتر در نظر گرفته شود، میتواند میزان آبشستگی را تا حد قابل توجهی کاهش دهد.
2-2 مطالعات عددی با نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3Dتوانایی شبیه‌سازی عددی الگوی جریان و رسوب در اطراف سازه‌های هیدرولیکی مختلف را دارا می‌باشد. در ادامه برخی کارهای انجام شده با این نرمافزار بیان میشود:
موسته و اتما (2004)، تأثیر طول آبشکن بر منطقه چرخشی پشت آبشکن را با در نظر گرفتن تأثیر مقیاس با نرم‌افزار Flow3D مورد بررسی قرار دادند.
گونزالز و بومباردلی (2005)،‌ در یک شبیهسازی عددی با استفاده از Flow3D به بررسی مشخصات پرش هیدرولیکی بر روی سطح صاف در دو حالت شبکهبندی ریز و شبکهبندی درشت به صورت دوبعدی و سهبعدی پرداختند.
صباغ یزدی و همکارانش (2007)، در یک مدل سهبعدی به ارزیابی مدلهای تلاطمی k-ε و RNGk-ε بر روی میزان ورود هوا در پرش هیدرولیکی با استفاده از روش حجم محدود پرداختند و اثر آن را بر روی دقت تخمین سرعت متوسط جریان با استفاده از مدل در مقایسه با نتایج آزمایشگاهی موجود از پرش هیدرولیکی مورد بررسی قرار دادند. مقایسه نتایج نشان داد که نرمافزار قادر به پیش‌بینی توزیع عمقی سرعت در پرش هیدرولیکی است و همچنین در این آزمون مدل آشفتگی RNG در مقایسه با k-ɛ نتایج مناسبتری را ارائه کرده است.
امیراصلانی و همکارانش (1387)، به شبیه‌سازی سه‌بعدی آبشستگی در پایین‌دست یک جت‌ ریزشی آزاد با استفاده از مدل k-ε نرم‌افزار Flow3D جهت بررسی اثر زاویه اصطکاک داخلی رسوبات بر روی چاله آبشستگی پرداختند. نتایج این پژوهش نشان میدهد هر چقدر زاویه اصطکاک داخلی ذرات رسوب بیشتر باشد میتوان انتظار داشت حفره آبشستگی، ابعاد (طول، عرض و عمق) کوچکتری داشته باشد و ارتفاع برآمدگی رسوبات در پاییندست حفره بیشتر باشد. شیب دیوارهها تندتر بوده و مانعی برای خروج ذرات رسوب از حفره به حساب میآید.
شاهرخی (1387)، با استفاده از نرم‌افزارFlow3D‌ ، مدل عددی الگوی جریان اطراف یک آبشکن را تهیه و با اعمال مدل‌های مختلف آشفتگی، به تأثیر این مدل‌ها بر طول منطقه جداشدگی جریان در پشت یک آبشکن پرداخت‌‌. مهمترین نتیجه حاصل از این تحقیق، نشان میدهد که مدل آشفتگی LES بهترین تطابق را با نتایج آزمایشگاهی داشته و این مدل، پیشبینی بهتری از طول منطقه جداشدگی در پشت آبشکن ارائه میکند. سرانجام پیشنهاد شد مدل در دامنه وسیعتری از تغییرات پارامترهای جریان، طول و زاویه نصب آبشکن اجرا گردد.
شاملو و جعفری (1387)، به بررسی اثر وجود زبری کف بر روی تغییرات میدان سرعت و فشار جریان در اطراف پایه استوانه‌ای شکل در یک کانال مستطیلی توسط نرمافزارFlow3D و با استفاده از مدل آشفتگی k-ε به صورت سهبعدی پرداختند. در این شبیهسازی مقاطعی در سه راستای X , Y , Z نزدیکی پایه با نتایج آزمایشگاهی احمد (1994) مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که پروفیلهای سرعت در عمقهای مختلف و در راستای X , Y و میدان فشار در پاییندست پایه روند تغییرات قابل قبولی را با توجه به نتایج آزمایشگاه نشان میدهد. همچنین نتیجه شد نرمافزار با در نظر گرفتن زبری کف نتایج بهتری را ارائه میکنند.
باباعلی و همکاران (1387)، توسط نرمافزار Flow3D یک پارشال فلوم به طول یک فوت را که جریان درون آن شامل دو حالت آزاد و مستغرق بود، با استفاده از مدل آشفتگی LES مدل کردند. ایشان دادههای مدل خود را از جدول استاندارد WMM اقتباس کرده و نتایج محاسبه شده را با نتایج این جدول مقایسه نمودند. آنها نشان دادند که Flow3D میتواند به آسانی محاسبات پارشال فلوم را تحت هر دو جریان آزاد و مستغرق انجام دهد. نتایج محاسبه شده به خوبی با دبیهای منتشر شده مطابقت داشته و نیاز به زمان زیاد و استفاده از ابر رایانهها ندارد.
والش و همکاران (2009)، به شبیهسازی آبشستگی موضعی پایهها در جریان جزر و مدی پرداختند. نتایج نشان داد که نتایج مدلسازی عددی با اندازهگیریهای انجام شده تطابق خوبی داشته و همچنین نشان داد که مدل عددی Flow3D ابزاری مناسب در طراحی جریان در اطراف پایهها در شرایط مختلف جریان است.
شکری و همکاران (1389)، به بررسی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف پایه پل دایروی با نرمافزار Flow3D پرداختند. نتایج بررسی عددی با بررسی آزمایشگاهی انجام شده توسط آنگر و هگر (2006) مقایسه شد و با مقایسه نتایج شبیهسازی عددی و اندازهگیریهای آزمایشگاهی الگوی جریان و تغییر شکل بستر، نتیجه شد که مدل Flow3D نتایج قابل قبولی ارائه داده است.
حسینی و عبدی‌پور (1389)، با استفاده از نرم‌افزار Flow3D به مدل‌سازی عددی پروفیل سرعت در جریانهای گل‌آلود پیوسته پرداختند و تأثیر شیب، غلظت و دبی جریان بر آن را مورد مطالعه قرار دادند. برای صحتسنجی نرمافزار در تعیین پارامترهای هیدرولیکی جریانهای گلآلود (پروفیل سرعت)، از یک نمونه آزمایشگاهی استفاده شد و نتایج حاصل از شبیهسازی با اندازهگیریهای آزمایشگاهی مربوطه مقایسه شد. برای مقایسه نتایج از آزمایشات انجام گرفته توسط حسینی و همکاران استفاده گردید. نتایج حاصل از مدل عددی پروفیل سرعت در بدنه با نتایج آزمایشگاهی تطابق نسبتاً خوبی داشت. نتایج مدل عددی مربوط به پروفیل سرعت با برخی از نتایج آزمایشگاهی مطابقت کمتری داشت که بخش عمدهای از خطاها مربوط به عدم امکان مدلسازی جریان در بخش پایینی در مشبندی به علت کمبود حافظه کامپیوتری و بخشی از خطاها نیز به نحوه مدلسازی جریان گلآلود بود.
برتور و بورنهم (2010)، به مدل‌سازی فرسایش رسوب در پاییندست سد با نرم‌افزار Flow3D پرداختند‌. در بررسی ایشان، برای محاسبه هر یک از ضرایب مشخصه رسوب در نرمافزار Flow3D، فرمولی ارائه و برای هر ضریب محدودهای تعیین شد.
کاهه و همکاران (2010)، مدل‌های آشفتگی k-εو RNG k-ε را جهت تخمین پروفیل‌های سرعت در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موج‌دار مورد بررسی و مقایسه قرار دادند. نتایج، توانایی مدل RNG k-ε در تخمین عمق ثانویه، طول پرش و توزیع سرعت را به خوبی نشان داد. ضریب تنش برشی برآورد شده توسط مدل عددی به نتایج بدست آمده از بررسی‌های آزمایشگاهی بسیار نزدیک بوده و به طور متوسط 8 برابر مقدار آن در پرش هیدرولیکی بر روی سطوح صاف برآورد شد. با توجه به نتایج بدست آمده، مدل آشفتگی RNG k-ε در مقایسه با مدل k-ε در مدلسازی پرش هیدرولیکی بر روی سطوح موجدار از دقت بالایی برخوردار است.
آخریا و همکاران (2011)، به شبیهسازی عددی هیدرولیک جریان و انتقال رسوب اطراف انواع آبشکنها پرداختند. نتایج مدلسازی نشان داد که از بین مدلهای آشفتگی، مدلهای RNG k-ɛ و k-ɛ به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر بوده ولی مدل آشفتگی RNG k-ɛ بهترین نتایج را برای شبیه‌سازی میدان جریان اطراف آبشکن نشان داد.
الیاسی و همکاران (1390)، با بهرهگیری از نرمافزار Flow3D و با اعمال مدل آشفتگی RNG k-ɛ، الگوی جریان اطراف تک آبشکن مستغرق در کانال مستقیم شیبدار را بدون در نظر گرفتن سطح آزاد شبیهسازی نمودند و به مقایسه نتایج مدل عددی با دادههای آزمایشگاهی پرداختند. نتایج این شبیهسازی بدون در نظر گرفتن سطح آزاد، با دادههای آزمایشگاهی تطابق خوبی را نشان داد. مقایسه پروفیلهای سرعت در مدل عددی و نتایج آزمایشگاهی بیانگر مطابقت این دادهها با هم میباشد.
عباسی چناری و همکاران (1390)، الگوی جریان اطراف آبشکنهای L شکل عمود بر ساحل را توسط نرمافزار Flow3D و با مدل آشفتگی k-ɛ شبیهسازی نمودند. در این بررسی، آبشکن L شکل نفوذناپذیر بوده که به صورت غیرمستغرق در 5 زاویه مختلف از قوس رودخانه قرار داده شده است. نتایج حاکی از آن است که تلاطم جریان، محدوده سرعتهای ماکزیمم و در نهایت بیشترین آبشستگی بستر، در دماغه آبشکن اتفاق میافتد. همچنین با افزایش دبی و عدد فرود جریان، محدوده سرعت ماکزیمم جریان در نزدیکی دماغه آبشکن افزایش مییابد و شکل آن در جهت جریان کشیده میشود. در نهایت نتیجه شد که مدل آشفتگی k-ɛ در شبیهسازی نواحی جریان برگشتی در پاییندست آبشکن و محل ایجاد گردابه و آشفتگی جریان در اطراف آبشکن، دقت خوبی دارد.
قنادان و همکاران (1391)، با نرمافزار Flow3D، به شبیهسازی عددی جریان از روی سرریز جانبی لبهپهن پرداخته و نتایج حاصل از این نرمافزار را با دادههای آزمایشگاهی مقایسه کردند. نتایج نشان داد که از میان مدلهای تلاطمی موجود در نرمافزار، مدل تلاطمی RNG k–ε از دقت بالاتری برای شبیهسازی جریان از سرریز جانبی برخوردار است. همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده، اثر تغییر ارتفاع و پهنای تاج سرریز بر دبی عبوری از سرریز مورد بررسی قرار گرفت. بر این اساس نتیجه شد که ارتفاع تاج سرریز جانبی لبهپهن بر مقدار دبی خروجی از سرریز نسبت به پهنای تاج مؤثرتر است.
فصل سوم
مواد و روش‌ها
3-1 مقدمه
در این بخش، علاوه بر بررسی آزمایشگاهی الگوی جریان ترکیبی عبوری همزمان از روی سرریز و زیر دریچه در بستر صلب و شبیهسازی عددی هیدرولیک آن با نرمافزار Flow3D، توانایی مدل عددی Flow3D در شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی ارزیابی میشود. بنابراین در این بخش، علاوه بر بررسی نحوه انجام آزمایشات، به معرفی مدل Flow3D پرداخته و مراحل مدل‌سازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز و دریچه با نرمافزار Flow3D بیان میشود.
3-2 نحوه انجام آزمایشاتدر این بخش، به ارائه نحوه انجام آزمایشات هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه پرداخته میشود. در این تحقیق به منظور کالیبراسیون نرمافزار در حالت کف صلب، آزمایشاتی در کانال با طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر انجام شده و عمق جریان در طول کانال قرائت شد. همچنین جهت ارزیابی دقت نرمافزار در حالت کف متحرک از نتایج آزمایشگاهی شهابی(1389) در کانال با طول 12 متر، عرض و ارتفاع 60 سانتیمتر استفاده شده است.
کانال آزمایشگاهی مورد استفاده در کف صلب شامل قسمتهای زیر است (شکل 3-1):
1- مخزن
2- پمپ که شامل بخشهای تأمین برق، الکتروپمپ، شیر تنظیم دبی و مخزن تعیین دبی است.
3- مخزن آرام کننده جریان
4- کانال آزمایشگاهی
5- مدل سازه ترکیبی
شکل زیر نمای کلی مدل فیزیکی را نشان میدهد.

شکل 3-‌1 نمایی از مدل آزمایشگاهی کانال با مقیاس کوچک
بخشهای اصلی کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، به صورت زیر تعریف میشوند:
3-2-1 مخزنبه منظور تأمین آب مورد نیاز جهت انجام آزمایش، از یک مخزن در قسمت پایین فلوم استفاده شده است. به هنگام آزمایش، آب به صورت رفت و برگشتی از مخزن به فلوم و بالعکس در جریان خواهد بود.
3-2-2 پمپجهت پمپاژ و جریان آب در فلوم، از پمپی با ظرفیت دبی 7 لیتر بر ثانیه استفاده شده است که با یک شیرفلکه معمولی، دبی پمپاژ تغییر داده میشود. به منظور قرائت دبی، از یک مخزن دبیسنج استفاده گردیده است.
3-2-3 کانال آزمایشگاهیکانال آزمایشگاهی دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر میباشد. جنس دیواره و کف کانال از پلکسی گلاس بوده تا امکان مشاهده جریان در کانال در حین آزمایش وجود داشته باشد.
3-2-4 مخزن آرامکننده جریاناین مخزن، آشفتگی جریانی که از پمپ سانتریفوژ وارد کانال خواهد شد را گرفته و جریان را به آرامی وارد کانال آزمایشگاهی میکند.

شکل 3- 2 مشخصات اجزای فلوم آزمایشگاهی با مقیاس کوچک3-2-5 مدل سازه ترکیبی سرریز- دریچهسازه ترکیبی سرریز- دریچه مورد استفاده در آزمایشات، در فاصله 2 متری از ابتدای کانال و با ضخامت 3 میلیمتر تعبیه شده که با ابعاد هندسی متفاوت ساخته شده است.

شکل 3-3 مدل فیزیکی سازه ترکیبی مورد استفاده در آزمایشات هیدرولیک جریانمشخصات آزمایشات انجام شده در کانال آزمایشگاهی با مقیاس کوچک، در جدول زیر شرح داده شده است:
جدول 3-1 محدوده آزمایشات انجام شده برای مدلسازی هیدرولیک جریانپارامتر دفعات تغییر واحد محدوده تغییرات
دبی ورودی (Q) 7 Lit/s 64/2 – 39/1
بازشدگی دریچه (W) 5 Cm 5/1 – 5/0
ارتفاع سازه (T) 5 Cm 5/5 – 5/3
3-3 آنالیز ابعادیاولین گام در شبیهسازی و مدلسازی، شناخت متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی است. تعداد متغیرهای اثرگذار با توجه به پیچیدگی رفتار پدیده موردنظر، میتواند افزایش یابد.
با توجه به اینکه هر کمیت فیزیکی در قالب ابعاد بیان میشود، استفاده از روشی که بتواند با ترکیب متغیرهای اثرگذار، متغیرهای بیبعد را که مفهوم فیزیکی دارند ایجاد کند، میتواند در کاهش تعداد متغیرها بسیار مفید باشد.
آنالیز ابعادی روشی است که در آن با استفاده از مفهوم همگنی ابعاد، متغیرهای اثرگذار بر پدیده فیزیکی مورد نظر در قالب متغیرهای بیبعد بیان میشوند. سپس بر اساس این متغیرها و انجام مطالعات آزمایشگاهی، رابطههای تجربی بدست میآورند.
برای انجام آنالیز ابعادی، روشهای مختلفی ازجمله روش فهرستنویسی، نظریه پیباکینگهام، روش گامبهگام و روش هانسیکر و رایت مایر وجود دارد.
در این تحقیق، روش پیباکینگهام که کاربرد وسیعتری دارد مورد بحث و استفاده قرار گرفت. این روش، یکی از روشهای معروف است که به طور وسیع در آنالیز ابعادی استفاده میشود.
در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه در حالت جریان آزاد، متغیرهای مؤثر عبارتند از:
1- دبی عبوری از روی سرریز، Qs
2- دبی عبوری از زیر دریچه، Qg
3- عمق بالادست سازه ترکیبی، H1
4- هد آب روی سرریز، Hd
5- طول سازه، T
6- بازشدگی دریچه، W
7- شتاب ثقل (g)، ρ و μ سیال
شکل (3-4) متغیرهای مؤثر در جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز- دریچه را در حالت جریان آزاد نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از جریان ترکیبی عبوری از سرریز و زیر دریچه در بستر صلب
با انجام آنالیز ابعادی به روش پیباکینگهام رابطه (3-1) بدست میآید. از آنجاییکه جریان آشفته است لذا از اثرات Re (رینولدز) صرف نظر شده و نهایتاً رابطه (3-2) بدست میآید.
430191950165(3- 1)
00(3- 1)
F(Qs , Qg , H1 , Hd , T , W , g , ρ , μ) = 0 → QsQg=f( Fr , Re , H1W , HdT )43584345080(3- 2)
00(3- 2)
QsQg=f( Fr , H1W , HdT )3-4 شبیهسازی عددیبه منظور مطالعه و تحلیل جریان در سازههای مختلف، مدلهای فیزیکی و ریاضی مختلف بکار گرفته میشود. با توجه به توسعه سیستمهای کامپیوتری و محاسباتی و همچنین وجود پیچیدگی‌های غیر قابل اندازه‌گیری در جریان عبوری از یک سازه ترکیبی سرریز - دریچه در مدل‌های آزمایشگاهی، استفاده از شبیهسازی عددی می‌تواند در بررسی هیدرولیکی چنین جریانهایی بسیار مؤثر و قابل توجه باشد.
در سالهای اخیر، بدلیل ابداع روشهای پیشرفته و دقیق حل عددی معادلات و بوجود آمدن رایانههای قوی برای انجام محاسبات، میتوان در طراحی این سازههای پیچیده از روشهای حل عددی نیز بهره گرفت. دینامیک سیالات محاسباتی، از روشهای محاسبه و شبیهسازی میدان جریان سیال میباشد که در قرن اخیر مورد توجه خاص مهندسین و طراحان قرار گرفته است.
استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی حاکی از مزایای زیر است:
1- کاهش در زمان و هزینه در طراحیها
2- توانایی مطالعه سیستمهایی که انجام آزمایشات کنترل شده روی آنها دشوار و یا غیر ممکن است مانند تأسیسات بزرگ
3- توانایی مطالعه سیستمها تحت شرایط تصادفی و بالاتر از حدود معمول آنها
از جمله نرمافزارهای موجود در زمینه CFD میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
CFX, Phonix, Telemac, FIDAP, Flow3D, Fluent
در این تحقیق، به ارزیابی مدل عددی Flow3D جهت شبیهسازی هیدرولیک جریان ترکیبی عبوری از روی سرریز و زیر دریچه و همچنین آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی پرداخته می‌شود.
3-4-1 معرفی نرمافزار Flow3Dنرمافزار Flow3D یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد که تولید، توسعه و پشتیبانی آن توسط Flow Science, Inc است و یک مدل مناسب برای حل مسائل پیچیده دینامیک سیالات بوده و قادر است دامنه وسیعی از جریان سیالات را مدل کند. این مدل برای شبیهسازی جریانهای سطح آزاد سهبعدی غیرماندگار با هندسه پیچیده کاربرد فراوانی دارد. نرمافزار Flow3D، برای مسائل یک‌بعدی، دوبعدی و سهبعدی طراحی شده است. در حالت ماندگار، نتایج در زمان بسیار کمی حاصل میشود زیرا برنامه بر روی قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی پایهگذاری شده است تا این موارد برای مراحل مختلف جریان در هر زمینهای بکار برده شوند. این نرمافزار یک شبکه آسان از اجزاء مستطیلی را استفاده میکند.
نرمافزار Flow3D شامل مدلهای فیزیکی مختلف میباشد که عبارتند از: آبهای کمعمق، کاویتاسیون، آشفتگی، آبشستگی، کشش سطحی، پوشش متخلخل ذرات و ... . از این مدلها در زمینه‌های ریختهگری مواد، مهندسی فرآیند، طراحی تزریقهای مرکب، تولیدات مصرفی، هیدرولیک مهندسی محیط زیست، هوافضا، علوم دریایی، نفت، گاز و ... استفاده میشود.
در جدول (3-2)، ویژگیهای نرمافزار به اختصار نمایش داده شده است.
جدول 3- 2 معرفی نرمافزار Flow3Dنام نرمافزار Flow3D
زمینه کاری یک نرمافزار قوی در زمینه CFD میباشد. این نرمافزار برای کمک به تحقیق در زمینه رفتار دینامیکی مایعات و گازها در موارد کاربردی وسیع طراحی شده است.
قوانین بنیادی جرم، مومنتوم و بقاء انرژی
کاربردهای Flow3D در زمینه مهندسی آب پایههای پل- هوادهی در پرش هیدرولیکی- سرریز دایرهای- هوادهی در سرریزها- شکست سد- پارشال فلوم- آبشستگی- جریان بر روی یک پلکان- جریانهای با عمق کم- جریان در کانالهای کنترل پرش هیدرولیکی- موجهای کمارتفاع- دریچههای کشویی- جریان سرریز
سطح آزاد حد فاصل بین گاز و مایع همان سطح آزاد است. در Flow3D سطح آزاد با تکنیک حجم سیال مدل میشود. روش حجم سیال شامل سه جزء است: نمایش موقعیت سطح – شبکهبندی– شرایط مرزی سطح
تکنیک محاسبات Finite Difference - FiniteVolume
سیستمهای مختصات معادلات دیفرانسیلی که باید حل شود در قالب مختصات کارتزین (x,y,z) نوشته میشود. برای مختصات استوانهای (z,Ɵ,r) مختصات x به صورت شعاعی و مختصات y به صورت مختصات زاویهای
ادامه جدول 3- 2مدلهای آشفتگی در Flow3D پنج مدل آشفتگی ارائه شده است: طول اختلاط پرانتل، یک معادله، دو معادله k-ɛ، مدل‌های k-ɛ RNG و مدل شبیهسازی بزرگ
مدلسازی 1-General 2-Physics 3-Fluids 4- Meshing & Geometry
5-Boundaries 6-Initial 7-Output 8-Numerics
General زمان اتمام - تعداد سیالات – حالت جریان (که شامل حالت تراکمپذیر یا تراکمناپذیر است.)
Physics شامل بخشهایی نظیر ویسکوزیته که شامل حالتهای سیال ویسکوز و غیرویسکوز است، شتاب ثقل زمین، که در جهت قائم مختصات برابر 81/9- وارد میشود، کشش سطحی، حفرهزدایی، آبشستگی رسوب و ...
Fluids ویسکوزیته، جرم حجمی، تراکمپذیری، مشخصات گرمایی و آحاد
Meshing & Geometry برای مشخص کردن حدود مشبندی، بلوکهایی تعیین میشود که کلیه اندازه سازههای مورد نظر و فضای آزاد در داخل آن تعریف میشود. میتوان همه جزئیات سازه مورد نظر را در یک بلوک هم در نظر گرفت. سیستم مختصاتی میتواند از نوع کارتزین یا استوانهای باشد.
Boundaries در مختصات کارتزین برای تعریف شرایط مرزی،6 درجه مشخص داریم که با توجه به جهت مثبت x, y, z شامل Xmax ,Xmin, Ymax, Ymin, Zmax, Zmin میباشد.
Initial در این قسمت، با توجه به ویژگیهای مسئله شرایط اولیه اعمال میگردد.
Output در این بخش، ویژگیها و امکاناتی برای داشتن مشخصات خاصی از نتایج ارائه میشود.
Numerics در قسمت گزینههای ضمنی برای تنش ویسکوز، هدایت گرمایی و ... امکان انتخاب بین حل صریح یا ضمنی وجود دارد.
برخی از تواناییهای مدل Flow3D جهت شبیهسازی با نمایش شکل مدل عبارتند از:

شکل 3- 5 مدلسازی پرش هیدرولیکی
شکل 3- 6 مدلسازی جریان در قوس رودخانه
شکل 3- 7 مدلسازی جریان عبوری از زیر دریچه
شکل 3- 8 مدلسازی جریان عبوری از روی سرریز با انقباض جانبی و بدون انقباض
شکل 3- 9 مدلسازی آبشستگی پاییندست سازهاین نرمافزار معادلههای حاکم بر حرکت سیال را با استفاده از تقریب احجام محدود حل میکند. محیط جریان به شبکهای با سلولهای مستطیلی ثابت تقسیمبندی میشود که برای هر سلول مقدارهای میانگین کمیتهای وابسته وجود دارد یعنی همه متغیرها در مرکز سلول محاسبه میشوند بجز سرعت که در مرکز وجوه سلول حساب میشود.
در این نرمافزار از دو تکنیک عددی جهت شبیهسازی هندسی استفاده شده است:
1- روش حجم سیال (VOF): این روش برای نشان دادن رفتار سیال در سطح آزاد مورد استفاده قرار میگیرد. این روش بر مبنای تقریبهای سلول دهنده - پذیرنده است که اولین بار توسط Hirt و Nichols در سال 1981 بیان شد.
2- روش کسر مساحت – حجم مانع (FAVOR): از این روش جهت شبیهسازی سطوح و احجام صلب مثل مرزهای هندسی استفاده میشود. هندسه مسئله با محاسبه کسر مساحت وجوه و کسر حجم هر المان برای شبکه که توسط موانعی محصور شدهاند تعریف میشود. همان طور که کسر حجم سیال موجود در هر المان شبکه برای برقراری سطوح سیال مورد استفاده قرار میگرفت، کمیت کسر حجم دیگری برای تعیین سطوح صلب مورد استفاده قرار میگیرد.
فلسفه روش FAVOR بر این مبناست که الگوریتمهای عددی بر مبنای اطلاعاتی شامل فقط یک فشار، یک سرعت، یک دما و ... برای هر حجم کنترل است، که این با استفاده از مقدارهای زیادی از اطلاعات برای تعریف هندسه متناقض است. بنابراین روش FAVOR، المانهای ساده مستطیلی را حفظ میکند، در صورتی که میتواند اشکالی با هندسه پیچیده در حد سازگاری با مقادیر جریان میان‌گیری شده را برای هر المان نشان دهد.
3-4-2 معادلات حاکمدینامیک سیالات محاسباتی، روشی برای شبیهسازی جریان است که در آن معادلات استاندارد جریان از قبیل معادلات ناویر استوکس و معادله پیوستگی قابل حل برای تمام فضای محاسبات می‌باشد. فرم کلی معادله پیوستگی به صورت شکل زیر بیان می‌شود:
416382464733(3-3)
00(3-3)
که درآن VF ضریب حجم آزاد به سمت جریان و مقدار R در معادله فوق، ضریب مربوط به مختصات به صورت کارتزین و یا استوانه‌ای می‌باشد. اولین عبارت در سمت راست معادله پیوستگی مربوط به انتشار تلاطم بوده و به صورت زیر قابل تعریف می باشد:
424413450800(3-4)
00(3-4)
عبارت دوم در سمت راست معادله (3-3) بیانگر منشأ دانسیته است که برای مدلسازی تزریق توده مواد اهمیت دارد:
428985427305(3-5)
00(3-5)
همچنین فرم کلی معادلات حرکت (مومنتم) در حالت سه بعدی به صورت زیر می‌باشد:
4361180396875(3-6)
00(3-6)

که در معادلات فوق Gx , Gy , Gz مربوط به شتاب حجمی می‌باشند. پارامترهای fx ,fy ,fz شتابهای ناشی از جریان‌های لزج بوده و bx , by , bz نیز شامل روابط مربوط به افت در محیطهای متخلخل هستند.
3-4-3 مدلهای آشفتگیاکثر جریانهای موجود در طبیعت به صورت آشفته میباشند. در اعداد رینولدز پایین، جریان آرام بوده ولی در اعداد رینولدز بالا جریان آشفته میشود، به طوری که یک حالت تصادفی از حرکت در جایی که سرعت و فشار بطور پیوسته درون بخشهای مهمی از جریان نسبت به زمان تغییر میکند، گسترش مییابد. این جریانها بوسیله خصوصیاتی که در ادامه ارائه شدهاند شناسایی میگردند:
1- جریانهای آشفته به شدت غیر یکنواخت هستند. در این جریانها اگر تابع سرعت در برابر زمان ترسیم شود، بیشتر شبیه به یک تابع تصادفی خواهد بود.
2- این جریانها معمولاً سهبعدی هستند. پارامتر سرعت میانگین گاهی اوقات ممکن است تنها تابع دو بعد باشد، اما در هر لحظه ممکن است سهبعدی باشد.
3- در این نوع جریانها، گردابهای کوچک بسیار زیادی وجود دارند. شکل کشیده یا عدم تقارن گردابها، یکی از خصوصیات اصلی این جریانها است که این امر با افزایش شدت آشفتگی، افزایش مییابد.
4- آشفتگی، شدت جریانهای چرخشی در جریان را افزایش میدهد که این عمل میتواند باعث اختلاط شود. فرآیند چرخش در سیالاتی رخ میدهد که حداقل، میزان یکی از مشخصههای پایستار آنها متغیر باشد. در عمل، اختلاط بوسیله فرآیند پخش انجام میشود، به این نوع جریانها غالباً جریانهای پخششی نیز میگویند.
5- آشفتگی جریان باعث میشود جریانهایی با مقادیر متفاوت اندازه حرکت با یکدیگر برخورد کنند. گرادیانهای سرعت بر اثر ویسکوزیته سیال کاهش مییابند و این امر باعث کاهش انرژی جنبشی سیال میشود. به بیان دیگر میتوان گفت که اختلاط یک پدیده، مستهلک کننده انرژی است. انرژی تلف شده نیز طی فرآیندی یکطرفه به انرژی داخلی (حرارتی) سیال تبدیل میشود.
تمام مشخصاتی که به آنها اشاره شد برای بررسی یک جریان آشفته مهم هستند. تأثیراتی که توسط آشفتگی ایجاد میشود بسته به نوع کاربری ممکن است ظاهر نشود و به همین دلیل باید این جریانها را با توجه به نوع و کاربری آن مورد بررسی قرار داد. برای بررسی جریانهای آشفته، روش‌های مختلفی وجود دارد که در ادامه به تعدادی از آنها اشاره خواهد شد.
مدلهای آشفتگی، ویسکوزیته گردابهای (vt) و یا تنش رینولدز (-Uij) را تعیین میکند و فرضیات زیادی برای همه آنها حاکم است که عبارتند از:
معادلات ناویر استوکس میانگینگیری شده زمانی، میتواند بیانگر حرکت متوسط جریان آشفته باشد.
پخش آشفتگی متناسب با گرادیان ویژگیهای آشفتگی است.
گردابهها میتوانند ایزوتروپیک و یا غیر ایزوتروپیک باشند.
همه مقادیر انتقال آشفته توابع موضعی از جریان هستند.
در مدلهای آشفته باید همسازی وجود داشته باشد.
این مدلها میتوانند یک مقیاسی و یا چند مقیاسی باشند.
همه مدلها در نهایت به کالیبراسیون به صورت تجربی نیاز دارند.
بسیاری از مدلهای آشفتگی بر پایه فرضیه بوزینسک استوار هستند. مدلهای آشفتگی به پنج دسته تقسیم میشوند:
1- مدلهای صفرمعادلهای
2- مدلهای تکمعادلهای
3- مدلهای دومعادلهای
4- مدلهای جبری
5- مدلهای شبیهسازی گردابهای بزرگ
3-4-3-1 مدلهای صفر معادلهایدر این مدلها هیچگونه معادله دیفرانسیلی برای کمیتهای آشفتگی ارائه نمیشود. این مدلها نسبتاً ساده بوده و دادههای تجربی و آزمایشگاهی در آنها نقش اساسی دارد و تنشهای آشفتگی در هر جهت متناسب با گرادیان سرعت میباشد. نمونهای از این مدلها عبارتند از:
1- مدل لزجت گردابهای ثابت
2- مدل طول اختلاط پرانتل
3- مدل لایه برش آزاد پرانتل
3-4-3-2 مدلهای یک معادلهایاین مدلها بر خلاف مدلهای صفر معادلهای، از یک معادله برای انتقال کمیت آشفتگی استفاده میکنند. این معادله ارتباط بین مقیاس سرعت نوسانی و کمیت آشفتگی میباشد که جذر انرژی جنبشی آشفتگی به‌عنوان مقیاس سرعت در حرکت آشفته مد نظر میباشد و مقدار آن توسط معادله انتقال محاسبه میگردد.
3-4-3-3 مدلهای دومعادلهایمدلهای دو معادلهای سادهترین مدلها هستند که قادرند نتایج بهتری در جریانهایی که مدل طول اختلاط نمیتواند به صورت تجربی در یک روش ساده مورد استفاده قرار بگیرد، ارائه دهند. به طور مثال جریانهای چرخشی از این نمونهاند. تقسیمبندی این مدلها بر اساس محاسبه تنش رینولدز و یا ویسکوزیته گردابهای به صورت زیر است:
ویسکوزیته گردابهای
جبری
تنش رینولدز غیرخطی
این مدلها، دو معادله دیفرانسیلی را حل میکنند. به معادله k که از قبل بوده، معادله ɛ هم اضافه میشود. معادله انرژی جنبشی، k، بیانکننده مقیاس سرعت است، بدین صورت که اگر قرار باشد سرعتهای نوسانی مورد بررسی قرار بگیرند، میتوان جذر انرژی جنبشی حاصل از آشفتگی در واحد جرم را به عنوان مقیاس در نظر گرفت، معادله نرخ میرایی انرژی جنبشی، ɛ، نیز مقیاس طول است. در حقیقت مقیاس طول، اندازه گردابههای بزرگ دارای انرژی جنبشی را میدهد که باعث انتقال آشفتگی در توده سیال میشود.
3-4-3-4 مدلهای دارای معادله تنشنرمافزار Flow3D مدل آشفتگی جدیدتری بر مبنای گروههای نرمال شده رینولدز پیادهسازی کرده است. این دیدگاه شامل روشهای آماری برای استحصال یک معادله متوسطگیری شده برای کمیت‌های آشفتگی است. مدلهای بر پایه RNG k-ɛ از معادلاتی استفاده میکند که شبیه معادلات مدل آشفتگی k-ɛ است اما مقادیر ثابت معادله که به صورت عملی در مدل استاندارد k-ɛ یافت شده‌اند، صریحاً از مدل RNG k-ɛ گرفته شدهاند. از این رو، مدل RNG k-ɛ قابلیت اجرایی گسترده‌تری نسبت به مدل استاندارد k-ɛ دارد. بویژه مدل RNG k-ɛ برای توصیف دقیقتر آشفتگی جریانهای با شدت کمتر و جریانهایی با مناطق دارای برش، قویتر شناخته شده است. در معادله RNG k-ɛ، فرمول تحلیلی برای محاسبه عدد پرانتل آشفته وجود دارد ولی در مدل k-ɛ، از یک مقدار ثابت که استفاده کننده مدل به آن معرفی میکند استفاده میگردد. در مدل RNG k-ɛ، تأثیر گرداب در آشفتگی لحاظ میگردد لذا دقت حل جریانهای چرخشی را بالا میبرد.
نرمافزار Flow3D از پنج مدل آشفتگی طول اختلاط پرانتل، مدل تک معادلهای، دومعادلهای k-ɛ، دومعادلهای RNG k-ɛ و روش گردابهای بزرگ (LES) بهره میبرد.
3-4-4 شبیهسازی عددی مدلدر این تحقیق، شبیهسازی عددی شامل دو قسمت میباشد:
1- قسمت اول مربوط به شبیهسازی هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی سرریز - دریچه است که آزمایشات بکار رفته جهت واسنجی مدل، در کانال با مقیاس کوچک انجام شده است. کانال با مقیاس کوچک دارای طول 7/3 متر، عرض 5/13 سانتیمتر و ارتفاع 30 سانتیمتر بوده که سازه ترکیبی مورد نظر با ضخامت 3 میلیمتر و در فاصله 2 متری از ابتدای کانال تعبیه شده است.
همچنین با استفاده از مدل واسنجی شده با دادههای آزمایشگاهی مربوط به هیدرولیک جریان، مدلهایی مربوط به سازه ترکیبی همراه با انقباض جانبی مدل شده و تأثیر میزان انقباض سرریز- دریچه بر نسبت دبی عبوری از روی سرریز به دبی عبوری از زیر دریچه بررسی شد.
2- قسمت دوم مربوط به شبیهسازی حفره آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز- دریچه است که برای شبیهسازی عددی آبشستگی، از آزمایشات انجام شده توسط شهابی و همکاران (1389) در کانال با مقیاس بزرگ استفاده شده است. کانال با مقیاس بزرگ دارای طول 12 متر، عرض و ارتفاع 6/0 متر است. کف کانال به ارتفاع 25 سانتیمتر از رسوبات یکنواخت با D50= 1.5 mm و ضریب یکنواختی 18/1 پوشانده شده است. دریچه و سرریز ترکیبی با ضخامت 6 میلیمتر و در فاصله 4/6 متری از ابتدای کانال نصب شده است.
پس از واسنجی نرمافزار، مدل برای شرایط هندسی و هیدرولیکی مختلف اجرا شد و با انتگرال‌گیری پروفیل سرعت بالای سرریز و زیر دریچه، نسبت دبی عبوری از روی سازه به دبی عبوری از زیر دریچه (QsQg) محاسبه شد. مشخصات مدلسازیهای انجام شده برای آبشستگی در جدول (3- 3) ارائه داده شده است.
جدول 3-3 محدوده دادههای بهکار رفته جهت شبیهسازی آبشستگیبازشدگی دریچه (cm) ارتفاع سازه (cm) مقادیر دبی (lit/s)
2 ، 1 8 34/11 66/10 98/9 68/8 52/7
2 ، 1 10 1/15 86/13 6/12 33/11 78/9
2 ، 1 12 26/16 14/15 4/14 88/13 3/11
3 ، 4 10 11/20 87/18 52/17 27/16 1/15
مراحل اصلی شبیهسازی عددی در نرمافزار Flow3D عبارتند از:
3-4-4-1 ترسیم هندسه مدلدر صورتی که هندسه مدل آزمایشگاهی به صورت منظم باشد میتوان شکل آن را در خود نرم‌افزار Flow3D ترسیم نمود اما در صورتی که مدل مورد نظر شکل نامنظم داشته باشد نرمافزار قادر خواهد بود فایلهای ایجاد شده در نرمافزارهایی نظیر اتوکد و همچنین فایلهای توپوگرافی به صورت X, Y, Z را مورد استفاده قرار دهد. در این تحقیق، مدلهای بکار رفته در خود نرمافزار ترسیم شده است.
3-4-4-2 شبکهبندی حل معادلات جریانیکی از مهمترین نکاتی که بایستی در شبیهسازی عددی مورد توجه قرار بگیرد، شبکهبندی مناسب برای حل دقیق معادلات حاکم است. ساختن شبکه مناسب برای میدان حل معادلات، دقت محاسبات، همگرایی و زمان محاسبات را تحت تأثیر قرار میدهد. در کلیه مدلهای عددی صورت گرفته، ابعاد شبکه طوری تعیین شد که پارامترهای کنترل شبکه از قبیل حداکثر نسبت ابعاد شبکه در راستای طولی و عمقی و ضریب نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف و در مجاورت یکدیگر مناسب انتخاب شده باشد. برای نتایج دقیق و مؤثر، مقدار هریک از دو پارامتر فوق باید به عدد 1 نزدیک بوده و مقدار نسبت ابعاد شبکه در مجاور یکدیگر از 25/1 و همچنین نسبت ابعاد شبکه در راستاهای مختلف از 3 نباید بیشتر باشد (فلوساینس، 2008).
در بخش شبیهسازی هیدرولیک جریان که در کانال با مقیاس کوچک صورت گرفت، مشبندی شبکه جریان، به صورت سهبعدی و ابعاد شبکه در هر سه بعد یکسان و برابر 5 میلیمتر در نظر گرفته شد. (در صورتی که مشبندی شبکه جریان، یکنواخت صورت گرفت نتایج حاصل از مدل به دادههای آزمایشگاهی نزدیکتر و دقت مدل عددی بیشتر میشد). برای این مدلسازی، زبری کف کانال و بدنه سازه برابر 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
مشبندی در مقطع عرضی مشبندی در مقطع طولی

شکل 3-10 مشبندی یکنواخت در کانال با مقیاس کوچک
در بخش شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی که در کانال با مقیاس بزرگ انجام شده است، جهت کاهش زمان تحلیل نرمافزار، شبکه جریان به صورت دوبعدی مشبندی شده و ابعاد شبکه در راستای Z به صورت یکنواخت و برابر 5 میلیمتر و در راستای X به صورت غیر یکنواخت و در نزدیکی سازه مورد نظر، تعداد مش بیشتر و اندازه آنها ریزتر در نظر گرفته شد به طوری که اندازه مش بین 6 تا 20 میلیمتر متغیر است. برای این مدلسازی، زبری کف کانال یکسان با قطر متوسط رسوبات و برابر با 5/1 میلیمتر انتخاب شد.
1501775101346000
شکل 3-11 مشبندی غیر یکنواخت در راستای طولی کانال با مقیاس بزرگ
3-4-4-3 شرایط مرزی کاناللایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس کوچک بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 12 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر صلبجدول 3-4 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
دبی ورودی جریان خروجی دیوار دیوار تقارن

لایه مرزی ابتدا و انتهای مشها در کانال با مقیاس بزرگ بر اساس جدول و شکل زیر تعیین شده است.

شکل 3- 13 شرایط مرزی مورد استفاده در مدلسازی حالت بستر رسوبجدول 3- 5 شرایط مرزی اعمال شده در نرمافزارورودی کانال خروجی کانال دیوارههای کناری کانال کف کانال سقف کانال
فشار ثابت جریان خروجی دیوار دیوار تقارن
برای انتخاب فشار ثابت برای ورودی کانال، ارتفاع سیال در قسمت فشار ثابت برابر عمق ابتدایی جریان در حالت آزمایشگاهی انتخاب شد.
3-4-4-4 خصوصیات فیزیکی مدلبرای مدلسازی هیدرولیک جریان در بستر صلب، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان، به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به‌دلیل آشفتگی جریان در آزمایشات، دو مدل آشفتگی k-ɛ و RNG k-ɛ در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
برای مدلسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی، شرایط فیزیکی حاکم بر جریان به صورت زیر انتخاب شد:
1- مقدار شتاب ثقل در جهت عکس عمق جریان و برابر 81/9- انتخاب شد.
2- چون سیال مورد استفاده در آزمایشات، آب زلال در نظر گرفته شده بود سیال از نوع نیوتنی انتخاب شد.
3- به دلیل آشفتگی جریان، سه مدل آشفتگی k-ɛ ، RNG k-ɛ و LES در نرمافزار مورد ارزیابی قرار گرفت.
4- مشخصات رسوبی که در مدلسازیها جهت کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی تعریف شد در جدول زیر ارائه داده شده است:
جدول 3- 6 مدلسازیهای انجام شده برای تعیین بهترین مقدار پارامترهای مربوط به رسوبپارامتر مورد نظر مقدارهای انتخاب شده
ضریب دراگ 5/1 2/1 1 5/0
عدد شیلدز بحرانی 15/0 1/0 05/0 035/0
زاویه ایستایی 40 35 30
حداکثر ضریب تراکم مواد بستر 8/0 74/0 7/0 6/0 4/0 38/0
ضریب تعلیق مواد بستر 026/0 018/0 01/0
ضریب بار بستر 16 8
عوامل مؤثر در کالیبراسیون حداکثر عمق آبشستگی در پاییندست سازه، پارامترهای حداکثر ضریب تراکم مواد بستر، عدد شیلدز بحرانی، ضریب دراگ، زاویه ایستایی و همچنین نوع مدل آشفتگی بودند.
3-4-4-5 شرایط اولیه جریانقبل از وارد کردن جریان در مدلسازی عددی، حالت اولیه کانال را انتخاب میکنند که در این تحقیق، قبل از ورود جریان، کانال تا قبل از سازه و تا لبه تاج سرریز از سیال مورد‌نظر در نظر گرفته شد.
3-4-4-6 زمان اجرای مدلنکته دیگری که در شبیهسازیهای عددی بسیار مهم است، زمان اجرای مدل تا رسیدن به یک مقدار مناسب از لحاظ پایداری و ماندگاری جریان است. بنابراین در کلیه آزمایشات شبیهسازی شده، زمان اجرای مدل برای شبیهسازی هیدرولیک جریان بین 30-15 ثانیه و برای شبیهسازی آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی بین 5000 - 4000 ثانیه در نظر گرفته شد، که با سپری شدن این مدت زمان، جریان در کانال به صورت یکنواخت میشود.

شکل 3-14 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی هیدرولیک جریان
شکل 3-15 نمودار تغییرات زمانی حجم سیال در مدلسازی حفره آبشستگی-420069-631311
فصل چهارم
نتایج و بحث
4-1 مقدمه
در این بخش، به مقایسه نتایج حاصل از شبیهسازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ترکیبی سرریز - دریچه با دادههای آزمایشگاهی مربوط به آن پرداخته شده و توانایی نرمافزار Flow3D در شبیهسازی هیدرولیک جریان و آبشستگی در پاییندست سازه ارزیابی میشود.
این فصل شامل دو بخش هیدرولیک جریان و آبشستگی میباشد که در هر بخش، ابتدا نتایج کالیبراسیون نرمافزار با دادههای آزمایشگاهی ارائه میشود و سپس نرمافزار برای شرایط هندسی و هیدرولیکی دیگر مورد ارزیابی و آزمون قرار می‌گیرد.
4-2 شبیهسازی هیدرولیک جریان در حالت کف صلب4-2-1 واسنجی نرمافزاردر مرحله اول شبیهسازی، واسنجی نرمافزار با استفاده از دادههای آزمایشگاهی انجام میشود. جهت واسنجی نرمافزار در شبیهسازی هیدرولیک جریان عبوری از سازه ترکیبی، از شبکه‌بندیهای مختلف و مدلهای مختلف آشفتگی استفاده شد. طی شبیهسازیهای انجام شده، نتیجه شد که هر چه شبکهبندی میدان حل یکنواختتر باشد، نتایج شبیهسازی عددی پروفیل سطح آب به دادههای آزمایشگاهی آن نزدیکتر است (شکل 4-1). به همین دلیل، شبکهبندی جریان جهت مدلسازی هیدرولیک جریان به صورت یکنواخت انجام شد. همچنین هر چه اندازه سلولهای شبکهبندی میدان حل ریزتر در نظر گرفته شد، تطابق نتایج نرمافزار با نتایج آزمایشگاهی بهتر شد. علاوه بر این، چون در آزمایشات انجام شده، بازشدگی دریچه مقدار کمی داشته و بایستی سلولی در شبکهبندی میدان جریان در راستای عمقی (Z) بازشدگی وجود داشته باشد، بنابراین شبکهبندی جریان با ابعاد ریز و برابر با 5×5×5 میلیمتر و تعداد کل مش برای هر مدلسازی تقریباً 162000 سلول در نظر گرفته شد. زمان اجرای مدل برای شبیهسازی هیدرولیک جریان، بین 30 – 15 ثانیه انتخاب شد.

شکل 4- 1 مقایسه نتایج پروفیل سطح آب برای شبکهبندیهای مختلف میدان جریان با داده آزمایشگاهی
(بازشدگی 75/0 سانتیمتر و دبی 23/2 لیتر بر ثانیه)
همچنین به منظور انتخاب بهترین مدل تلاطمی (به عنوان واسنجی نرمافزار)، به مقایسه نتایج پروفیل سطح آب حاصل از دو مدل آشفتگی RNG k-ε و k-ε پرداخته شد.
247015031940500
247015027813000
246507028765500

—d1147

2-8-5 اجزای گذرگاه سرویس27
2-9 انگیزه ی حرکت سیستم های تولیدی به سمت معماری سرویس گرا29
2 -10 تعریف برون سپاری 31
2-10-1 عوامل تاثیر گذار بر برون سپاری 32
2-10-2 دلایل عمده برون سپاری34
2-10-3 معایب برون‌سپاری35
2-10-4 تعریف برون سپاری استراتژیک 36
2-10- 5 کارهای انجام شده در ارتباط با برون سپاری 36
2-11 سیستم اطلاعاتی40
2-12 کارهای انجام شده د ر ارتباط با به کارگیری سیستم اطلاعاتی در یکپارچگی واحد های مختلف تولید41
2-13 نتیجه گیری45
فصل سوم: روش تحقیق46
3-1 مقدمه47
3-2 نگاه کلی و هدف از ارائه مدل پیشنهادی47
3-3 رویکرد کنترلی برای تعامل سرویس های استخراج شده در سیستم اطلاعاتی پیشنهادی49
3 -4 متدولوژی SOMA در طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا53
3-4-1 فاز شناسایی سرویس ها در متدولوژی SOMA53
3-4-1-1 تکنیک سرویس – هدف 54
3–4- 1-2 تکنیک تجزیه دامنه55
3–4- 1-3 تجزیه و تحلیل دارایی های موجود 55
3-5 راهکارپیشنهادی: طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا56
3-5-1 شناسایی سرویس های سیستم اطلاعاتی با استفاده ازمتدولوژیSOMA56
3-5-2روند جریان اطلاعات در سیستم اطلاعاتی سرویس گرا60
3-6 مدلسازی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا با استفاده از زبان UML74
3 -7 الگوی راه حل پیشنهادی متدولوژی SOMAبرای استفاده در سیستم های اطلاعاتی81
3-8 برنامه ریزی استراتژیک سیستم اطلاعاتی85
3-9 نتیجه گیری 88
فصل چهارم: محاسبات و یافته های تحقیق89
4-1 مقدمه90
4-2 مطالعه موردی – شرکت ایران خودرو90
4-3 طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا برای شرکت ایران خودرو93
4 - 3- 1 مدل فرایند ورود کاربران ایران خودرو به سیستم اطلاعاتی خودرو94
4 -3- 2مدل فرایند نظارت واحد تدارکات ایران خودرو بر موجودی انبار (مواد اولیه).96
4 -3- 3 مدل فرایند درخواست قطعه از انبار ایران خودرو97
4 -3- 4 مدل فرایند اجرای محصول درخواستی مشتری ایران خودرو99
4 -3- 5 مدل فرایند پرداخت مشتری 101
4 -3- 6 مدل فرایند تحویل محصولات به مشتریان ایران خودرو 102
4 -3-7 مدل فرایند خدمات پس از فروش مشتریان ایران خودرو 102
4 - 4 مشخصه سرویس ها در سیستم اطلاعاتی سرویس گرا 104
4 - 5 تدوین راهبردها در راستای سیستم اطلاعاتی، با استفاده از ماتریس SWOT 105
4 - 6 تحلیل استراتژیک سیستم اطلاعاتی سرویس گرا برای شرکت ایران خودرو107
4-7 فرآیند تحلیل سلسه مراتبی AHP113
4-8 نتیجه گیری116
فصل پنجم: نتیجه گیری و پیشنهادات117
5-1 خلاصه تحقیق118
5-2 بررسی مزایای رهیافت پیشنهادی118
5-3 محدودیت ها و زوایای پوشش داده نشده119
5-4 اقدامات آتی120
ضمائم و پیوست ها 121
ضمیمه 1- کدهایWSDL مربوط به مشخصه سرویس احراز هویت 122
ضمیمه 2- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس پرداخت آنلاین 126
ضمیمه 3- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس صدور فاکتور129
ضمیمه 4- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس رفع مشکل فراموش کردن رمز عبور 134
ضمیمه 5- کدهای WSDL مربوط به مشخصه سرویس بررسی وضعیت پرداخت صورتحساب.. 138
منابع و مآخذ142
Abstract 146
فهرست جداول
جدول 2-1 محرکهای چندگانه برون سپاری 33
جدول 3-1 اهداف– زیر اهداف 57
جدول 3-2 تجزیه دامنه سیستم اطلاعاتی 59
جدول4-1عملیات مربوط با هرسرویس کاری سیستم اطلاعاتی سرویس گرابرای شرکت ایران خودرو 104 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول 4-2 ماتریس SWOT مطالعه موردی 109 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول 4-3 مقایسه زوجی بین سرویس های دانه ریز مربوط به سرویس دانه درشت نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 114 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول4-4 وزن دهی سرویس های مربوط به سرویس دانه درشت نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 115 HYPERLINK l "_Toc177949492"
جدول4-5 لیست اولویت بندی سرویس های دانه درشت 115
فهرست تصاویر و نمودار HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 1-1 مراحل انجام تحقیق 5 HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 2-1 مدل انجام پیمانکاری فرعی صنعتی بین صنایع کوچک و بزرگ 10
شکل 2-2 محصورسازی اندازه های مختلفی از منطق توسط سرویس 18
شکل 2-3 ارتباط بین برنامه های کاربردی مختلف در ESB 23
شکل 2-4 ارتباط غیر مستقیم بین برنامه های کاربردی با استفاده از قابلیت مسیریابی پیام ESB 24
شکل 2-5 برقراری ارتباط بین برنامه های کاربردی با پروتکل های انتقال مختلف با استفاده از پیاده سازی گذرگاه سرویس سازمانESB 25
شکل 2-6 با استفاده ازESB برنامه های کاربردی می توانند حتی زمانی که فرمت پیام ها و پروتکل های ارتباطی متفاوت دارند، با یکدیگر تعامل داشته باشند26
شکل 2-7 اجزای منطقی تشکیل دهنده ESB 28
شکل 3-1 روند انجام کار 49
شکل 3-2 ارکسترازیسیون سرویس های سیستم اطلاعاتی سرویس گرا 51
شکل 3-3 فلوچارت روند جریان اطلاعات ورود کاربر به سیستم اطلاعاتی و ثبت اطلاعات کاربر 62 شکل 3-4 فلوچارت روند جریان اطلاعات نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 63
شکل 3-5 فلوچارت روند جریان اطلاعات درخواست قطعه از انبار 65
شکل 3-6 فلوچارت روند جریان اطلاعات اجرای محصول درخواستی 67
شکل 3-7 فلوچارت روند جریان اطلاعات پرداخت مشتری 69
شکل 3-8 فلوچارت روند جریان اطلاعات تحویل محصول به مشتری 71 HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 3-9 فلوچارت روند جریان اطلاعات پشتیبانی مشتری 73 HYPERLINK l "_Toc177949492"
شکل 3-10 نمودار use case احراز هویت و مدیریت ورود کاربران به سیستم اطلاعاتی 75
شکل 3-11 نمودار use case نظارت واحد تدارکات بر موجودی انبار 76
شکل 3-12 نمودار use case درخواست قطعات مورد نیاز واحد تولید از انبار (مواد اولیه)77
شکل 3-13 نمودار use case اجرای محصول درخواستی مشتری 78
شکل 3-14 نمودار use case مدیریت هزینه ی سفارشات اجرا شده79
شکل 3-15 نمودار use case تحویل محصول به مشتری80
شکل 3-16 نمودار use case پشتیبانی مشتری81
شکل 3-17 سرویس های سیستم اطلاعاتی سرویس گرای spx 83
شکل 3-18 الگوی راه حل ESB برای استفاده از سرویس های سیستم اطلاعاتی در سازمان 85
شکل4-1 حوزه ی فعالیت های برون سپاری شرکت ایران خودرو92
شکل 4-2 فلوچارت ورود و ثبت اطلاعات کاربران ایران خودرو در سیستم اطلاعاتی 95
شکل 4-3 فلوچارت نظارت واحد تدارکات ایران خودرو بر موجودی انبار(مواد اولیه)96
شکل 4-4 فلوچارت درخواست قطعه از انبار 98
شکل 4-5 فلوچارت اجرای محصول درخواستی مشتری ایران خودرو 100
شکل 4-6 فلوچارت پرداخت مشتریان ایران خودرو 101
شکل 4-7 فلوچارت تحویل سفارش به مشتریان ایران خودرو 102
شکل 4-8 فلوچارت پشتیبانی مشتریان ایران خودرو 103
شکل 4-9 نمودار سلسله مراتب سرویس ها 114
فصل اول
مقدمه و کلیات تحقیق
1–1 مقدمهسازمان بزرگ مقیاس از واحدها، محصولات و سرویس های متنوع زیادی تشکیل شده است. این واحدها زیر ساخت مختلف دارند که دارای سرویس های مختلفی هستند. به منظور ارتقای کیفیت کالاها و افزایش میزان تنوع کالا و نو آوری سازمان های بزرگ مقیاس می توانند از پیمانکاری فرعی صنعتی، به عنوان یکی از روشهای تامین سفارشهای تولیدی از بیرون، استفاده کنند. هدایت و کنترل سازمان بزرگ مقیاس و پیچیده نیاز به پیروی از یک چارچوب و برنامه منسجم دارد. امروزه سیستم های سرویس گرا با توجه به امکان استفاده در محیط های مختلف و عدم وابستگی به فناوری خاص، وجود سیستم های بزرگ مقیاس پویا با نیازهای متغیر، بسیار مورد توجه قرار گرفته اند. معماری سرویس گرا به دلیل سرعت در پیاده سازی برنامه کاربردی سازمان را به سمت توزیع شدگی و مدیریت صحیح منابع پیش می برد. معماری سرویس گرا امکان ایجاد یکپارچگی بین برنامه واحدها بدون وابستگی به سکو و فناوری پیاده سازی را فراهم می کند. ایجاد زیرساخت های مورد نیاز برای این رویکرد به دلیل نیاز به زمان و هزینه زیاد، برای سازمان هایی مناسب است که ناهمگن بوده و دارای توزیع شدگی زیاد هستند. معماری سازمانی مجموعه ای ازفراورده ها است که عناصر زیرساختی سازمان و روابط این عناصر با هم را معرفی می کند و سازمان را از ابعاد مختلف مورد بررسی قرار میدهد.
1– 2 طرح مسئلهسازمان بزرگ مقیاس به دلیل داشتن واحدهای گوناگون، تعداد و تنوع زیاد محصول و سرویس ها و ارتباط پیچیده و محیط پویا و رقابتی نیاز به برنامه ریزی استراتژیک دارد زیرا برنامه ریزی استراتژیک یکی از عوامل اصلی یکپارچگی کسب و کار و فناوری اطلاعات وحصول مزیت رقابتی می باشد تا براساس برنامه تهیه شده بسوی اهداف مورد نظر به پیش رود وهمواره ناظر برحرکت خودباشد تا انحرافات احتمالی راشناسایی وتعدیل کند. مدل عملی برنامه ریزی استراتژیک برای سازمانهایی است که ارتباط واحدها از طریق سرویس گرایی می باشد. سازمانها به منظور حفظ خود در بازارهای رقابتی همواره در حال رشد و تغییر کسب و کار خود هستند. بنابراین بایستی سیستم های اطلاعاتی خود را به گونه ای انتقال و ارتقا دهند تا بتوانند پاسخگوی نیازهای بازار و تغییرات زیاد فناوری باشند. این مدل دو دیدگاه فنی و استراتژیک را در خود هماهنگ و یکپارچه می سازد. استفاده از چارچوب و معماری سازمانی راهکار مفیدی برای برنامه ریزی، مدیریت و یکپارچگی واحدها می باشد. برنامه ریزی استراتژیک موجب می شود تا کار واحدها و سازمان سریع تر انجام شود و پیش برود. این برنامه باید آینده نگر و محیط گرا باشد بطوری که ضمن شناسایی عوامل وتحولات محیطی، در یک افق زمانی بلند مدت تأثیرآنها بر سازمان ونحوه تعامل سازمان باآنها را مشخص کند. چارچوب استراتژیک موجب تسهیل فرایند برنامه ریزی استراتژیک و شناسایی رقبا، مشتریان، تأمین کنندگان، محصولات و موجب شناسایی سطوح کیفی و رقابتی رقبا و بهبود عملکرد می شود.
در این تحقیق، یک چارچوب استراتژیک برای نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (spx) در سازمان بزرگ مقیاس سرویس گرا که ارتباط واحدها از طریق سرویس می باشد ارائه شده است تا برنامه ریزی و مدیریت واحدها تسهیل یابد و بدین ترتیب کار سازمان سریع تر و دقیق تر انجام شود.
1-3 مفروضات

سیستم اطلاعاتی، یک سیستم برای جمع آوری، سازماندهی و ذخیره کردن اطلاعات در یک سازمان است.
سیستم اطلاعاتی از طریق تعریف فرایندها و رویه ها، انجام عملیات سازمان را به عهده می گیرند.
معماری سرویس گرا هم راستای فرایندهای کسب و کار است.
برنامه ریزی استراتژیک گونه ایی از برنامه ریزی است که در آن هدف تدوین استراتژی هاست.
1 - 4 اهداف تحقیق
پیمانکاری فرعی صنعتی، یکی از راه های مدرن و مؤثر سازمانی برای تولید محصولات صنعتی از راه همکاری واحدهای تولیدی مکمل است.در سازمان بزرگ مقیاس که از واحدهای مختلف تشکیل شده است می توان از نظام مبادلات پیمانکاری فرعی استفاده نمود.در سیستم های مقیاس وسیع به دلیل گستردگی حیطه مسئله، با موجودیتها و ارتباطات بسیار زیادی مواجهه هستیم، در صورتی که در توسعه این سیستم ها از روش سنتی استفاده کنیم به علت مواجه با حجم زیاد موجودیت ها و ارتباطات دچار سردرگمی خواهیم شد.به همین دلیل برای کاهش پیچیدگی در این سیستم ها از موجودیتی به نام سرویس به منظور بالا بردن سطح تجرید و در نتیجه کاهش پیچیدگی استفاده می شود. برای نظام مبادلات پیمانکاری فرعی در سازمان بزرگ مقیاس سرویس گرا یک چارچوب استراتژیک ارائه شده است که درنهایت منجر به افزایش میزان بهره وری سازمانی، بهبودخدمات سازمان، تسهیل روابط سازمانی، افزایش میزان تعامل پذیری دربین سیستم های اطلاعاتی،افزایش میزان یکپارچگی اطلاعات، افزایش سطح امنیت اطلاعات وغیره خواهد بود.
با توجه به ویژگی های معماری سرویس گرا و نقش آن در آن در یکپارچه سازی برنامه کاربردی سازمان ها و پیشرفت چشمگیر سرویس گرایی در دنیا و حرکت اکثر کشورها و سازمان ها به سمت موضوع سرویس گرایی می توان نتیجه گرفت که معماری سرویس گرا گزینه ی مناسبی برای حل بسیاری از چالش های یکپارچه سازی در سازمان است. اما به دلیل وجود برخی مشکلات و نواقص که در بخش قبل به پاره ای از آن ها اشاره شد، همچنان تحقیق در این زمینه با هدف چالش های موجود ادامه دارد.
1 –5 محدوده پایان نامه
همانطور که در قسمت پیش اشاره شد، سازمان بزرگ مقیاس به گروهی از واحدها اطلاق می شود که برای تولید کالا با هم در ارتباط بوده و همدیگر را تکمیل می کنند و بر مبنای یک توافق یا پیمانکاری با هم فعالیت می کنند. در سازمان بزرگ مقیاس با به کارگیری نظام مبادلات پیمانکاری فرعی کارها را به واحدهای کوچک ومتوسط (SMEs) برون سپاری می کنند. در این تحقیق هدف، ارائه یک چارچوب استراتژیک است.
1 –6 مراحل انجام تحقیق
در این تحقیق برای پاسخگویی به مسائل مطرح شده از مطالعات کتابخانه ای جهت شناسایی مفاهیم مورد نیاز تحقیق استفاده شده است. ابتدا، مطالعاتی درباره سرویس گرایی مطرح شد و در ادامه به بررسی سازمان بزرگ مقیاس و نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (SPX)، برنامه ریزی استراتژیک پرداخته شد. مختصری مطالعه در مورد SOMA صورت گرفت، و سپس سرویس های سیستم اطلاعاتی توسط این روش شناسایی شدند. برای اطمینان از مناسب بودن سرویس های شناسایی شده به ارزیابی سرویس پرداخته شد. رویکرد پیشنهاد شده با استفاده از یک مطالعه موردی مورد ارزیابی قرار گرفت. در نهایت به جمع بندی و نتیجه گیری تحقیق پرداخته شد.
در شکل 1-1 این مراحل نشان داده شده اند.
شکل 1 – 1 . مراحل انجام تحقیق
1 – 7 ساختار پایان نامه
این پایان نامه در فصل های بعد به شرح زیر است:
در فصل دوم به بررسی مفاهیم بنیادی و ادبیات موضوع پرداخته شده است و همچنین کارهای انجام شده در زمینه معماری سرویس گرا، سازمان بزرگ مقیاس و نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (spx) سیستم اطلاعاتی تولید و کارهای انجام شده در این زمینه می پردازیم.
در فصل سوم با بررسی و استخراج فرآیندها و سرویس ها، به طراحی سیستم اطلاعاتی سرویس گرا و ایجاد ارتباط داده های آن ها می پردازیم، و توضیحاتی را راجع به برنامه ریزی استراتژیک، به عنوان ابزار تدوین راهبردها بیان می کنیم. در فصل چهارم یک مطالعه موردی در راستای کار انجام شده مورد بحث قرار گرفته و مدل تطبیق داده شده را با استفاده از برنامه ریزی استراتژیک مورد ارزیابی قرار می دهیم. در نهایت در فصل پنجم جمع بندی و نتیجه گیری کارهای انجام شده و کارهای آینده بیان شده است.
فصل دوم
ادبیات و پیشینه تحقیق
2- 1مقدمه
در فصل پیش مسئله مورد اشاره در ا ین تحقیق معرفی شد و محدوده آن تعیین گردید. هدف از این فصل آشنایی با مفاهیم کلیدی به کاربرده شده در این تحقیق است. سرویس گرایی سبک و روشی برای طراحی، پیاده سازی، استقرار و مدیریت سیستم های اطلاعاتی است. این سیستم ها از مولفه هایی تشکیل شده اند که منطق سازمان و واحدهای کاری آن را پیاده سازی می کنند که این مولفه ها سرویس نام دارد. نقش سرویس در معماری سرویس گرا، خودکار سازی واحدهای کاری و دانه بندی آنها در واحدهای مجزاست، بطوریکه بتوان سازمان و منطق کسب و کار آن، همچنین روندهای کاری موجود را با تغییرات قوانین و فناوری ها، بروزرسانی و هماهنگ نمود. سرویس گرایی، علاوه بر مزایایی از قبیل حذف سیلوهای اطلاعاتی و سرعت در پیاده سازی برنامه های کاربردی، سازمان را به سمت توزیع شدگی ومدیریت صحیح منابع پیش می برد ]10 [. لازم به ذکر است که ایجاد زیرساخت های مورد نیاز برای این رویکرد به دلیل نیاز به زمان و هزینه زیاد، برای سازمان هایی مناسب است که ناهمگن بوده و دارای توزیع شدگی زیاد هستند. دراین فصل معماری سرویس گرا، سازمان بزرگ مقیاس و نظام مبادلات پیمانکاری فرعی (spx)را مطرح می کنیم. همچنین در این فصل مروری بر پیشینه ی کارهای انجام شده در هر یک از این زمینه ها خواهیم داشت.
2-2 نظام مبادلات پیمانکاری فرعی
در این بخش به ارائه مفاهیم نظام مبادلات پیمانکاری فرعی می پردازیم.
2-2–1 تعریف نظام مبادلات پیمانکاری فرعی
در پیمانکاری فرعی صنعتی یک پیمانکار اصلی، عرضه کننده های مختلف و پیمانکار های فرعی وجود دارد که شامل یک قرارداد بین طرفین پیمانکار اصلی و پیمانکار فرعی است پیمانکار اصلی یک یا چند اقدام مهم تولیدی بخش ها را به زیر مجموعه ها و یا تهیه کنندگان خدمات ضروری صنعتی برای تولید محصول نهایی واگذار می نماید . پیمانکار فرعی نیز کارها را بر اساس مشخصات تهیه شده توسط پیمانکار اصلی اجرا می نماید. بنابراین یک تقسیم کار در سیستم تولیدی در بخش صنعت و پیمانکاری های فرعی در یک یا چند فرایند تکنولوژیکی افزایش چشمگیری می یابد] 1 [.
نظام مبادلات پیمانکاری فرعی(SPX)، یکی از روش های عمده توسعه صنایع کوچک و متوسط(SMEs)به ویژه در حوزه پیمانکاری صنعتی (شرکت ها، کارگاه ها و کارخانجاتی که بنا به سفارش اقدام به تولید نموده و تولیدات خود را در اختیار کارفرمایان قرار می دهند) است که ایده ی اولیه ایجاد آن از سال 1970 در سازمان توسعه ی صنعتی ملل متحد  (یونیدو) شکل گرفت و تا سال 1985 به شکل امروزی خود درآمد. اثر بخشی این مراکز در توسعه صنایع پیمانکاری به گونه ایی بوده که تا پایان سال 2012 ، تعداد 59 مرکز مبادلات پیمانکاری فرعی(SPX) در سطح دنیا ایجاد شده است.
نکته کلیدی اینکه پیمانکاری فرعی به دو عامل توانایی تولید و تخصص بستگی دارد. زمانیکه ظرفیت تولید موجود توسط پیمانکار اصلی از عهده میزان تولید مورد نیاز ( سفارش) برنیاید و فروش (سفارش) از ظرفیت تولید داخلی بیشتر باشد، در این صورت وضعیت مطلوب ممکن نخواهد بود مگر اینکه پیمانکار اصلی به یک پیمانکار فرعی تکیه نماید. این مطلب زمانی تحقق می یابد که سفارش رسیده به پیمانکار اصلی درنوسان و عدم تعادل باشد. در مورد نکته دوم پیمانکارهای اصلی خدمتی را از پیمانکار فرعی می خواهد کسب کند که دارای تجهیزات تخصصی و یا ترکیبی از ماشین آلات و نیروی کار ماهر و یادقت خاصی باشد. همچنین پیمانکارهای فرعی نیز دارای مهارت فنی ویژه برای اقلام فرآیندهای تولیدی خاص هستند که پیمانکار اصلی ترجیح می دهد از خدمات آنها استفاده نماید. این نوع ارتباط با نوسان سفارش و یا بصورت طولانی مدت یا اساسی مشارکت نمی یابد. از نظر اطلاعات تخصصی شده خط تولید، بعضی وقتها پیمانکاری های فرعی ممکن است بعنوان یک کنترل کننده باشند. پیمانکارهای اصلی بطور کلی لازم الوجود نیستند، صنایع بزرگ، تولید صنعتی که به مقدار زیاد و به عنوان لوازم ترکیبی برای نصب نهایی در محصول مورد نیاز است را سفارش می دهند. و همه این لوازم و اجزاء به خاطر هر یک از دلایل اقتصادی یا ویژه بودن عموماً در داخل بطور ثابت تولید نمی شوند. پیمانکار های فرعی بطور کلی گرچه ضروری نیستند، صنایع کوچک و متوسط تخصصی در عملیات و فرآیند های مشخص، قابلیت تولید کالاهای با کیفیت همانند و منطبق با مشخصات پیمانکار اصلی و در عین حال با شرایط اقتصادی برتر را فراهم می نمایند. بعضی وقت ها نیز صنایع بزرگ ظرفیت قابل دسترس شان افزایش می یابد و امکان فعالیت بعنوان یک پیمانکار فرعی را نیز پیدا می کنند. آنها همچنین ممکن است دارای موقعیتی باشند که صنایع کوچک و متوسط به خدمات اقتصادی آنها برای تولید قطعات و اجزاء تکمیل کننده سفارش های بزرگ به آن نیازمند باشند. که در این صورت بعنوان پیمانکارهای اصلی فعالیت می نمایند. بهر حال ارتباط پیمانکاری فرعی می تواند در بخش های مختلف فعالیت تولیدی وجود داشته باشد. که در این صورت بعنوان برجسته ترین مقام در زمینه فنی مهندسی در صنایع مانند خودرو، راه آهن، علوم هوایی، لوازم الکترونیکی، وسایل الکتریکی داخلی، ظرافت تجهیزات، پلاستیک کاری، فلز کاری صنایع مانند ریخته گری، آهنگری تلقی می شود.
مهمترین ماموریت های این مرکز عبارت است از :
    شناسایی، ایجاد و توسعه بازار
تسهیل ارتباط کارفرمایان و پیمانکاران
    ارتقاء و توانمند سازی پیمانکاران
شکل زیر مدل پیمانکاری فرعی صنعتی بین صنایع کوچک و بزرگ نشان می دهد.

شکل 2-1. مدل انجام پیمانکاری فرعی صنعتی بین صنایع کوچک و بزرگ]2[
2-2-2 شرایط تاسیس یکSPX 
SPXدر مرحله اول سازمانی مستقل و غیر انتفعی متعلق به تولید کنندگان است،اما از سوی مراجع مسئول دولتی و سازمانهای حرفه ای حمایت و پشتیبانی میشود.تجربه حاکی از آن است کهSPX هایی که در وزارتخانه صنایع و سازمانهای عمومی ایجاد شده اند توسط دولت یک قطبی شده،از خاستگاه صنعتی خویش جدا افتاده و محکوم به نابودی اند.روش میزبانی SPXدر یک وزارتخانه و یا سازمان عمومی می بایستی صرفاً به عنوان یک وضعیت گذرا در حالت نوپا و قبل از آنکه به بخش خصوصی انتقال یابد تلقی شده و ترجیحاً بر مبنای خودگردانی باشد] 3[.
2-2-3 خدماتSPX ها
اطلاع رسانی: به طور مثال اطلاعرسانی فنی مرتبط با صنایع کوچک و متوسطی که توانمندی کارکردی بعنوان پیمانکاران فرعی،تامین کنندگان یا شرکای پیمانی اصلی داخلی و خارجی را دارند.
واسطه گری تبادل اطلاعات: مربوط به عرضه و یا تقاضای محصولات یا ملزومات حاصل از پیمانکاری فرعی،اطلاعات مربوط به دانش کار،حق امتیازها،تشریک مساعی فنی،فرصتها و رویه های برقراری پیمانهای مشارکتی.
خدمات تبلیغی و ترویجی: به طور مثال سازماندهی گردهمایی کسب و کار،مدیران تدارکات از گروهها صنعتی،داخلی و خارجی،سازماندهی حضور دسته جمعی در نمایشگاه صنعتی بخش های مرتبط، تهیه و توزیع اقلام تبلیغی از جمله سایتهای اینترنتی
2-2-4 مزایای پیمانکاری فرعی صنعتی
پیمانکاری فرعی صنعتی دارای مزایای زیادی برای صنایع کوچک و بزرگ است:
الف)مزایای پیمانکاری فرعی صنعتی برای صنایع کوچک:
حداکثر بهره برداری از امکانات آزمایشگاهی وسیستم کنترل موجودی در صنایع طرف قرارداد.
بهره مندی از تجربه فنی تخصصی کارشناسان طرف قرار داد و درنتیجه ارتقای توان علمی تخصصی و بهره وری واحدهای صنعتی کوچک.
استفاده از توان بالقوه تولیدی و رفع مشکل کمبود تقاضا در واحدهای تولیدی مورد نظر به لحاظ تولید انبوه، قیمت تمام شده کالا درحداقل قرار می گیرد.
توزیع درآمد بهتر و افزایش درآمد کارکنان و در نهایت اجتماع.
تولیدات به صورت تخصصی وحرفه ای شکل می گیرد وباعث دستیابی سریع تربه نوآوریها وخلاقیّت درتولید می شوند ودرنتیجه تنوّع درتولیدات افزایش می یابد.
ب ( مزایای پیمانکاری فرعی برای صنایع بزرگ:
صنایع بزرگ با کاهش هزینه های سرمایه گذاری وجلوگیری از گسترش بی رویه واحدها وبعضا باتعطیل کردن پاره ای ازبخشهای خط تولیدوسپردن کار تولیدقطعه هاوکالاهای صنعتی وحتی بخش طراحی ومونتاژ کالابه واحدهای کوچک طراحی ومهندسی ومونتاژ،نه تنها از کاهش حجم تولید واحد صنعتی خودجلوگیری می کند،بلکه برعکس حجم تولید وبهره وری را تا چند برابر افزایش می دهند.
صنایع بزرگ بابهره گیری از پیشنهادها و اندیشه خلاّق واحدهای کوچک پیمانکاری ضمن رفع مشکلات وضعفهایاحتمالی و ارتقای کیفیت کالاهای تولیدی،توانسته اند بیشترین نوآوری وتنوّع رابه تولیدات خودبدهند.
صنایع بزرگ با انجام پیمانکاری های فرعی قادر هستند قیمت تمام شده کالارا به میزان قابل توجهی کاهش دهند و برای مدت زمانی طولانی میتوانند قطعه ها و لوازم مورد نیاز خود را به گونه سفارشی تأمین کنند.
2-2-5 خدمات مورد انتظار از یک مرکز اطلاعاتی SPX
خدمات اطلاع رسانی (آگاهی) شامل اطلاعات فنی در خصوص صنایع کوچک و متوسط که مستعد کارکردن بعنوان پیمانکاری فرعی هستند و تهیه کنندگان یا شرکاء برای پیمانکاری های اصلی داخلی و خارجی، دلالی گزارشات اطلاعات عرضه و تقاضا برای دانش فنی، حق امتیاز، همکاری فنی، فرصتها و روشهای استفاده برای تنظیم موافقتنامه های مشارکتی.
خدمات فنی به سازمانهای تجاری، مدیران خرید یا فروش از گروههای صنعتی داخلی و خارجی، سازمان های گروه سهامی در نمایشگاه های صنعتی در بخش های تهیه و توزیع مواد متشکله صنایع مرتبط شان.
خدمات مشاوره ای عملیات پیمانکاری فرعی، تولید، کنترل کیفیت، گواهی استاندارد سازی، بازاریابی.
2-2-6 سازمان بزرگ مقیاس
سازمان های بزرگ مقیاس به گروهی از واحدها اطلاق می شود که برای تولید یک کالا یا انجام پروژه خاص با هم (معمولا با هدف هزینه کمتر) در ارتباط بوده، همدیگر را تکمیل می کنند و بر مبنای یک توافق یا پیمانکاری با هم فعالیت می کنند و برای مواجهه با مسئله ای واحد تخصص می یابند، و تقاضایی را با تکیه بر توانایی های خود پوشش می دهند. همکاری پایه فعالیت این سازمان ها است و دارای یک هدف تجاری یا فعالیت واحدی هستند. در سیستم های بزرگ مقیاس به دلیل گستردگی حیطه مسئله، با موجودیتها و ارتباطات بسیار زیادی مواجهه هستیم. سازمان های بزرگ مقیاس بر اساس مزیت رقابتی شرکت های رقیب تشکیل شده اند. چگونگی پشتیبانی همکاری و مشارکت درون سازمانی یک موضوع اصلی از یک سازمان بزرگ مقیاس است. چنین سیستمی کارکردهای بیشتری نسبت به مجموع کارکردهای سیستم های عضو در آن ارائه می‌کند.
2-3 تعریف معماری سرویس گرا
تعاریف بسیاری برای معماری سرویس گرا وجود دارد، اما یک تعریف رسمی واحد برای آن موجود نیست. به همین دلیل بسیاری از سازمان ها که سعی در استفاده و بهره برداری از این مفهوم را دارند، برای تعریف آن حرکتی کرده اند. در تعاریف متعددی که از معماری سرویس گرا ارائه شده است، عمدتا از دو دیدگاه فنی و غیر فنی این واژه تعریف شده است. از جمله تعاریفی که به رویکرد غیر فنی معماری سرویس گرا اشاره دارند می توان به موارد زیر را نام برد :
معماری سرویس گرا یک محصول نیست بلکه پلی است بین کسب و کار و فناوری به کمک مجموعه ای از سرویس ها متکی بر فناوری که دارای قوانین، استانداردها و اصول طراحی مشخص هستند]6 1[.
چارچوبی برای یکپارچه سازی فرایندهای کسب و کار و پشتیبانی آن ها توسط فناوری اطلاعات با کمک مولفه های استاندارد و امن تحت عنوان سرویس که قابلیت استفاده مجدد و الحاق به یکدیگر جهت پوشش تغییرات حرفه را دارا می باشند] 17 [.
SOAیک رهیافت است، یک شیوه ی فکر کردن یک سیستم ارزشی است که منجر به تصمیمات به هم پیوسته کامل در زمان طراحی یک معماری نرم افزار به هم پیوسته می شود]18 [.
معماری سرویس گرا پیکره ی فرایند های استاندارد طراحی و مهندسی، ابزارها و بهترین تجاربی است که با استفاده از سرویس ها و بهره گیری از خاصیت پیمانه ای بودن و قابلیت ترکیب آن ها، زمینه ی تحقیق اهداف کسب و کار را فراهم می آورد] 19[.
سبکی از معماری که از اتصال سست سرویس ها جهت انعطاف پذیری و تعامل پذیری کسب و کار، و به صورت مستقل از فناوری پشتیبانی می کند و از ترکیب مجموعه سرویس ها مبتنی بر کسب و کار تشکیل شده که این سرویس ها انعطاف پذیری و پیکربندی پویا را برای فرایندها محقق می کنند]20 [ .
روشی برای طراحی و پیاده سازی نرم افزارهای گسترده سازمانی به وسیله ی ارتباط بین سرویس هایی که دارای خواص اتصال سست، دانه درشتی و قابل استفاده مجدد هستند]21 [ .
معماری سرویس گرا سبکی از توسعه و یکپارچه سازی نرم افزار است. که با شکستن یک برنامه ی کاربردی به سرویس هایی که می توانند هم در داخل و هم در خارج از سازمان مورد استفاده قرار بگیرند، سر و کار دارد ]24 [ .
با وجود تفاوت دیدگاه ها در تعاریف فوق، همه ی آنها بر این اصل توافق دارند که معماری سرویس گرا باعث افزایش انعطاف پذیری سازمان ها می شود. همچنین بر اساس تعاریف ارائه شده می توان استنباط کرد که معماری سرویس گرا قابلیت تاثیر گذاری در همه ی سطوح فناوری اطلاعات از بالاترین سطح معماری سازمانی تا پیاده سازی سرویس ها دارد.
2-4 تعریف سرویس
از آن جا که مفهوم سرویس در صنعت IT به روش های بسیار مختلفی به کار برده شده است، لازم است آن را به دقت تعریف کنیم. با این وجود، قبل از ارائه یک تعریف رسمی و مبتنی بر تکنولوژی، به تعریف کلی تر خواهیم پرداخت تا درک بهتری از سرویس ایجاد شود. ضمنا برای سادگی و یکنواختی برای مفهوم متقاضی سرویس، مصرف کننده ی سرویس، مشتری یا مصرف کننده ی سرویس، عبارت سرویس گیرنده، و برای مفهوم ارائه دهنده ی سرویس یا فراهم کننده ی سرویس از عبارت سرویس دهنده استفاده خواهیم کرد.
آن چه در این مبحث از سرویس مورد نظر است، معنای خود را به نحوی از این تعاریف می گیرد. و به معنی فعالیت با معنایی است که یک سرویس دهنده (احتمالا بر اساس درخواست یک سرویس گیرنده)، انجام می دهد. سرویس دهنده و سرویس گیرنده ممکن است افرادی در یک سازمان یا قطعه برنامه های نرم افزاری باشند و سرویس ممکن است دستی یا مکانیزه، نرم افزاری یا غیر آن باشد.
در اصطلاح فنی و نرم افزاری می توان گفت به طور کلی سرویس، یک پیمانه ی قابل دسترس از راه دور و مستقل است. برنامه های کاربردی این سرویس ها را در دسترس کاربران قرار می دهند. با این تفاسیر مشاهده می کنیم که مفهوم سرویس در هر دو حوزه ی کسب و کار و فناوری مطرح است و کاربرد دارد. تعاریف متعددی برای مفهوم سرویس ارائه شده است از جمله :
" سرویس، کاری است که توسط یک سرویس دهنده ارائه و انجام می شود و ممکن است انجام یک درخواست کوچک مانند دریافت یا ذخیره ی اطلاعات، و یا مربوط به انجام کاری پیچیده تر مانند چاپ یک تصویر باشد" ]28 [.
" از دیدگاه کاری سرویس ها دارایی های ITهستند که به فعالیت های کاری یا عملکردهای کاری قابل بازشناسی در دنیای واقعی مرتبط بوده، و می توانند با توجه به خط مشی های سرویس مورد دسترسی قرار بگیرند. از دیدگاه فنی سرویس ها، دارایی های دانه درشت و قابل استفاده ی مجدد ITهستند که دارای واسط های خوش تعریفی (قراردادهای سرویس) هستند که واسط های قابل دسترس از خارج سرویس را، از پیاده سازی فنی سرویس مجزا می کنند" ]24 [ .
" سرویس تحقق کاری یک عملکرد مستقل است. از دیدگاه فنی، سرویس توصیفی است از یک یا چند عملیات که از (چندین) پیام برای تبادل داده ها میان یک سرویس دهنده و یک سرویس گیرنده استفاده می کند. اثر فراخوانی سرویس آن است که سرویس گیرنده اطلاعاتی به دست می آورد، یا حالت مولفه یا سرویس دهنده را تغییر می دهد" ]26 [ .
" سرویس یکمولفه از یک برنامه کاربردی است که روی سکویی که از طریق شبکه قابل دسترس است مستقر شده، و توسط یک سرویس دهنده ارائه می شود. واسط های سرویس جهت فراخوانده شدن توسط سرویس گیرنده یا تعامل با آن، با استفاده از یک توصیف سرویس، توصیف می شوند" ]26 [ .
بر اساس این تعاریف گزاره های زیر در مورد سرویس برقرار است:
یک عملکرد یا وظیفه مندی را ارائه می کند که ممکن است کاری یا فنی باشد.
قابل استفاده ی مجدد، و از سایر سرویس ها مستقل است.
دارای توصیف، واسط یا قرار داد خوش تعریف است، و جزئیات آن از دید سرویس گیرندگان مخفی است.
دارای یک یا چند عملیات است، و ارتباط سرویس ها توسط تبادل پیام میان این عملیات صورت می گیرد.
2- 5 سرویس های وب
معمولا واژه های معماری سرویس گرا و سرویس های وب اشتباها به جای هم، و به صورت معادل استفاده می شوند. لذا لازم است این دو مفهوم، به صورت دقیق تر بررسی شوند. سرویس های وب را باید عینیت بخش معماری سرویس گرا دانست] 6[.
تعریف W3C از سرویس های وب عبارت است از : یک سرویس وب، نوعی سیستم نرم افزاری است که جهت تعامل ماشین با ماشین در سطح شبکه طراحی شده است، و دارای یک توصیف قابل پردازش توسط ماشین با نام، WSDL است. دیگر سیستم ها بر طبق این توصیف از قبل مهیا شده با سرویس دهنده تعامل خواهند داشت، پیام ها توسط پروتکلSOAP و یا سایر پروتکل های مربوطه منتقل می شوند] 22 [.
از جمله ویژگی هایی که برای سرویس های وب مطرح هستند عبارتند از :
نرم افزارهای کاربردی که تحت وب منتشر شده، شناسایی و مورد فراخوانی قرار می گیرند.
مستقل از سکو و زبان هستند.
نوعی از پیاده سازی معماری سرویس گرا می باشند.
با منطق حرفه در تماس هستند، ولی هیچ شخصی مستقیم با آن ها ارتباط ندارد.
یک رهیافت کلیدی برای عینیت بخشیدن به معماری سرویس گرا هستند.


سرویس های وب دارای شرایطی از قبیل : دسترسی در سطح وب، استفاده از استانداردXMLجهت تبادل اطلاعات، عدم وابستگی به هیچ سکو و سیستم عاملی، تعامل با سرویس های تحت وب و با قابلیت شناسایی و خود توصیفی می باشند. این ویژگی ها در مقابل خصوصیاتی از قبیل استفاده از استاندارد HTML برای تبادل اطلاعات، وابستگی به سکو و فناوری و استفاده توسط اشخاص یا مرورگر وب که برای نرم افزارهای تحت وب می باشند از سرویس های وب متمایز می شوند] 6 [.
2-6 مفاهیم مهم سرویس گرایی
در این بخش به ارائه مفاهیم مهم درارتباط باساختارسرویس وکلیات مطالب مربوط به آن می پردازیم.
2-6-1چگونه سرویسها منطق را محصور میکنند
برای حفظ استقلال، سرویس ها منطق متن خاصی را محصور می کنند. آنچه در سرویس محصور می شود ممکن است کوچک یابزرگ باشد .بنابراین اندازه وحوزه منطقی که توسط سرویس محصورمی شود میتواند متنوع باشد. برای مثال آنچه توسط راه حل هایاتوماسیون ارائه میشود، معمولاًپیاده سازی یک فرآیند عمده کاری است.این فرآیندازمنطقی تشکیل شده است که بارعایت ترتیب وتوالی یا توازی خاص عمل موردنظررا انجام می دهد. این منطق به مجموعه ای از مراحل شکسته می شودکه باتوجه به قواعد،باترتیب ازپیش تعریف شده ای اجرا می شوند. همانطورکه درشکل2-5مشاهده میشود درساختن راه حل متشکل ازسرویسها، هرسرویس میتواند وظیفه ای را که درهرمرحله اجرا می شودیایک زیرفرآیندرا محصور کند. سرویس حتی میتواندکل فرآیندی راکه توسط سرویسهای دیگر محصورشده است، محصورکند.

شکل 2-2. محصورسازی اندازه های مختلفی ازمنطق توسط سرویس] 23[
2-6-2 چگونه سرویس ها از وجود یکدیگر مطلع میشوند.
درSOA، سرویس ها می توانند توسط سرویس های دیگر، یابرنامه های دیگر مورد استفاده قرارگیرند .حال، استفاده کننده ازسرویس هرکه باشد،ارتباط میان سرویسهادرصورتی روی خواهددادکه سرویسها از وجودیکدیگرمطلع باشند. این امر با بهره گیری ازتوصیف سرویس ممکن است.
توصیف سرویس درپایه ای ترین حالت خود، نام سرویس و داده هایی راکه درحین ارتباط مورد نیازند یا بدست می آیند مشخص میکند. روشی که درآن سرویسها از توصیف سرویس استفاده میکنند، موجب می شود که ارتباط درطبقه اتصال سست قرارگیرد. برای تعامل سرویسها و معنی دار بودن آن، آنهاباید اطلاعاتی را مبادله کنند.بنابراین یک چارچوب ارتباطاتی که دارای قابلیت ایجاد ارتباط دارای اتصال سست باشد موردنیازاست. یک چارچوب برای این منظور، پیام رسانی است.
2-6-3 چگونه سرویس ها با هم ارتباط برقرار می کنند.
پس ازآنکه سرویسی پیامی را میفرستد، دیگرکنترل آن رادراختیار ندارد. به همین دلیل است که سرویس هابه پیام ها نیاز دارند تا بعنوان واحد مستقل ارتباطی باقی بمانند. این به معنای آن است که پیام ها نیز مانند سرویس ها باید خود مختار باشند. به همین دلیل میزانی از هوشمندی را دارا هستند تا بتوانند در بخشهای مختلف پردازش خود را مدیریت کنند.
2-6-4چگونه سرویس ها طراحی می شوند.
اصول سرویس گرایی مسائل مرتبط بامواردزیرراتحت پوشش قرارمی دهد(این اصول درادامه معرفی خواهند شد).
الف- چگونه سرویس هاطراحی میشوند؟
ب- ارتباط بین سرویسهاچگونه بایدتعریف شود؟ (شامل تعیین چگونگی تبادل پیامها یاهمان الگوی تبادل پیام MEP)
پ- چگونه باید پیامهاراطراحی کرد؟
ت–چگونه توصیف سرویس ها طراحی می شوند؟
2-6-5 توصیفات سرویسها
هرسرویسی که می خواهد نقش دریافت کننده پیام را داشته باشد باید توصیف سرویس را به همراه داشته باشد. هرتوصیف پیام نقطه اتصالی ازفراهم کننده سرویس رادراختیارقرارمی دهد و دارای تعریفی رسمی از واسط این نقطه اتصال است (تا درخواست کنندگان بتوانند ازساختار پیامی که می بایست برای دریافت خدمات به سرویس دهنده ارسال کنند،آگاه شوند) وهمچنین محل سرویس را (که برای استفاده کنندگان شفاف خواهد بود) معین می کنند.
2-7 ویژگی های معماری سرویس گرا
از آنجایی که تعریف رسمی واحدی برای معماری سرویس گرا وجود ندارد، هیچ مجموعه رسمی واحدی از اصول طراحی بر مبنای سرویس گرایی وجود ندارد. با این حال، مجموعه ای از اصول طراحی در سطح سرویس توسط افرادی نظیر Erl و Mcgovern معرفی شده اند که بر سرویس گرایی انطباق مناسبی دارند و عبارتند از] 29[ :
سرویس ها معمولا یک دامنه یا وظیفه کاری را نمایش می دهند.
سرویس ها دارای طراحی ماژولار (پیمانه ای) هستند.
سرویس ها دارای وابستگی ضعیف اند.
سرویس ها قابل کشف اند.
محل سرویس ها برای سرویس گیرندگان شفاف است.
سرویس ها مست
سرویس ها دارای استقلال داخلی اند.
قل از روش انتقال هستند.
سرویس ها مستقل از پلت فرم هستند.
سرویس ها قابل استفاده ی مجدد هستند.
سرویس ها قابل ترکیب اند.
در معماری سرویس گرا منظور از اتصال سست، قابلیت تعامل بین سرویس ها به صورت مستقل از کد نویسی و مکان سرویس هاست. به گونه ای که سرویس ها در زمان اجرا می توانند تغییر مکان داده و روال های داخلی خود را تغییر دهند. سرویس ها ماژول هایی از کسب و کار هستند که می توانند توسط پیام هایی درخواست شوند و در نرم افزارهای مختلف مورد استفاده قرار بگیرند. یک نمونه از سرویس می تواند انجام یک درخواست روی داده مانند دریافت یا ذخیره ی اطلاعات باشد. سرویس ها در یک زبان استاندارد توصیف می شوند و فعالیت ها و فرایندهای کسب و کار را پشتیبانی می کنند. سرویس هایی که از استانداردهایی مثل یو دی دی آی، دبلیو اس دی ال، سواپ استفاده می کنند، عمومی ترین نوع سرویس هایی هستند که امروزه در دسترس می باشند. این سرویس ها به راحتی می توانند ترکیب شوند تا مجموعه ای از فرآیندهای کسب و کار مستقل را شکل دهند. ویژگی مستقل از سکو بودن معماری سرویس گرا این امکان را فراهم کرده است تا هر کاربر، از هر سیستمی و یا هر نوع سیستم عامل و زبان برنامه نویسی می تواند به سرویس ها دسترسی پیدا کند] 29 [.
سازمان های مختلف در بخش های گوناگون، معماری سرویس گرا را به دلیل قابلیت آن در بهبود فرآیندهای کسب و کار سریع، و انعطاف پذیری را ایجاد کنند.
به طور کلی برخی از مزایای به کارگیری معماری سرویس گرا عبارتند از:
یکپارچه سازی برنامه های موجود
بهبود یکپارچه سازی داده ها
سرعت بخشیدن به توسعه ی برنامه های کاربردی سفارشی
سهولت برون سپاری جهانی
تسریع در انجام فرآیندهای سیستم اطلاعاتی و ...]30[.
2-8 تعریف گذرگاه سرویس
تعاریف متفاوتی در منابع گوناگون برای گذرگاه سرویس سازمانی ارائه گردیده است که تعدادی از آنها به شرح زیر می باشد:
ESB به عنوان یک لایه هوشمند، توزیع شده، تعاملی و پیام رسان برای اتصال برنامه های کاربردی و سرویس هایی که معمولا به صورت توزیع شده از طریق زیرساخت های ارتباطی سازمان ها با هم ارتباط دارند، عمل می کند]31[.
مجموعه ای از استاندارها جهت ارائه یک زیرساخت عملیاتی و قدرتمند برای پشتیبانی عملیات یکپارچه سازی برنامه های کاربردی توزیع شده]32[.
ESB به عنوان یک معماری است که از ترکیب وب سرویس، پیام رسانی میان افزار، مسیریابی هوشمند و تبدیل اطلاعات بدست می آید]33[.
ESB به عنوان متصدی و مسئول مسیریابی، تبدیل و کنترل ارتباطات بین ارائه کننده و مصرف کننده خدمات می باشد]34 [.
ESB یک الگوی معماری و یک کلید مهم واساسی در اجرای زیرساخت های معماری سرویس گرا می باشد، در واقع ESBشرایطی برای تعامل بین سرویس های ناهمگن و رابط های کاربری که دارای عدم تطابق هستند فراهم می نماید]35[.
ESB یک سیستم مبتنی بر استانداردهای توزیع شده پیام رسانی همزمان و یا غیرهمزمان توسط میان افزارها می باشد که قابلیت همکاری و تعامل امن بین برنامه کاربردی سازمان ها را با استفاده از XML، وب سرویس، رابط های کاربری و مسیریابی مبتنی بر قوانی فراهم نموده و به یکپارچه سازی سرویس ها در میان چندین برنامه کاربردی در داخل و خارج سازمان کمک می کند. این امر از طریق ایجاد گذرگاهی استاندارد و ارائه تطبیق دهنده هایی برای تبادل اطلاعات بین برنامه ها صورت می گیرد.

شکل 2-3. ارتباط بین برنامه های کاربردی مختلف در ] ESB 36[
2-8-1 مسیریابی و مقیاس پذیری
از ویژگی های مهم استفاده از ESB حل مشکل توسعه سیستم در روش ارتباط نقطه به نقطه است. همان گونه در بخش هایی فبلی هم مطرح گردید جهت برقراری ارتباط به صورت نقطه به نقطه برای N برنامه کاربردی نیاز به N(N-1)/2 ارتباط می باشد که این روش در سازمان های نسبتا بزرگ و بزرگ اصلا مناسب نبوده و قابل اجرا نمی باشد. نکته مهم در برقراری ارتباطات بین برنامه های کاربردی کاربردی در روش ESB این است که برای ارتباط از یک گرگاه مشترک استفاده می گردد و برنامه ها به صورت مستقیم با هم ارتباط ندارند. در واقع تعداد ارتباطات مورد نیاز برای برقراری تعامل بین برنامه برای N برنامه برابر با تعداد آنها، یعنی N می باشد که نسبت به روش نقطه به نقطه بسیار ساده تر و بهینه تر می باشد.

شکل 2-4. ارتباط غیر مستقیم بین برنامه های کاربردی با استفاده از قابلیت مسیریابی پیام در ] ESB 37 [
برای ارتباط غیر مستقیم بین برنامه های کاربردی از طریق یک گرگاه مشترک در ESB علاوه بر کاهش تعداد ارتباطات موردنیاز برای تعامل برنامه ها مزایای دیگری نیز دارد که از جمله می توان به مواردی از قبیل نگهداری و بروزرسانی ساده تر سیستم یکپارچه و همچنین افزایش چابکی در پیاده سازی ساختار یکپارچه سازی برنامه های کاربردی سازمان اشاره نمود.
2-8-2 تبدیل پروتکل انتقال
عدم تطابق پروتکل های ارتباطی در برنامه های کاربردی سازمان، یکی دیگر از مشکلات موجود در یکپارچه سازی برنامه های کاربردی در سازمان ها می باشد و دلیل آن توسعه برنامه ها در سازمان ها و عدم استفاده از پروتکل های یکسان در پیاده سازی آن ها می باشد به نحوی که ممکن است در برخی موارد عدم تطبیق پروتکل های ارتباطی در نرم افزار ارائه دهنده سرویس و نرم افزار مصرف کننده سرویس رخ دهد. استفاده از پروتکل یکسان توسط کلیه برنامه های کاربردی سازمان در عمل دارای محدودیت های فراوان بوده و غیر قابل اجرا می باشد.

شکل 2-5. برقراری ارتباط بین برنامه های کاربردی با پروتکل های انتقال مختلف با استفاده از پیاده سازی گرگاه سرویس سازمان ] ESB 37 [
2-8-3 تبدیل پیام
موارد دیگری که در پیاده سازی ESB مدنظر قرار گرفته و برای آن راه حل ارائه گردیده است، تبدیل پیام ها و حل مشکل عدم تطبیق فرمت پیام ها و داده ها می باشد. یکی از مشکلاتی که در یکپارچه سازی برنامه های کاربردی در سازمان ها وجود دارد این است که فرمت داده ها و پیام ها در مصرف کننده سرویس و فرمت مورد نیاز برای تامین کننده سرویس با یکدیگر تفاوت دارد و در نتیجه این امر مانع برقراری یا ارتباط و تبادل داده ها بین برنامه ها می گردد.
بنابراین یکی دیگر از کارکردهای اصلی که باید توسط ESB ارائه گردد، تبدیل پیام ها و یا داده ها می باشد. هنگامی که این قابلیت با دو قابلیت اصلی دیگر یعنی مسیریابی و تبدیل پروتکل های ارتباطی ترکیب شود، در نتیجه برنامه های کاربردی می توانند به راحتی و بدون نیاز به تطابق پروتکل ها و فرمت پیام ها و داده ها با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.

شکل 2-6. با استفاده از ESB برنامه های کاربردی می توانند حتی زمانی که فرمت پیام ها و پروتکل های ارتباطی متفاوت دارند، با یکدیگر تعامل داشته باشند] 37 [
2-8-4 ویژگی ها و مزایای گذرگاه سرویس
با توجه به مطالب مطرح شده در قسمت قبلی، ESBویژگی های کلیدی ذیل را ارائه می دهد ] 37 [:
مسیریابی مبتنی بر محتوا و متن
تبدیل پروتکل های انتقال
تبدیل پیام ها و داده ها
سرویس و امکاناتی که با استفاده ازESBفراهم می گیرد فراتر از برقراری اتصال و تعامل بین برنامه های کاربردی می باشد و با استفاده ازESBسرویس های ارزش افزوده ای نیز حاصل می گردد که تعدادی از آن ها در ادامه بیان می گردد] 38[:
فراهم کردن امکان اتصال
مسیریابی هوشمند
تامین امنیت و قابلیت اطمینان تعامل
مدیریت سرویس
نظارت و ثبت رخدادها
2-8-5 اجزای گذرگاه سرویس
به منظور اجرای ویژگی ها و وظایف مطرح شده برای ESBتعدادی از مولفه ها و اجزا در ساختار تشکیل دهنده آن مورد نیاز می باشد که ضمن نمایش آن ها در شکل شماره 3-19 تعدادی از آن ها در ادامه بیان می گردد] 39 [:
سازگارکننده ها: از اجزای اصلی ESBهستند وشرایطی را فراهم می آورند تا ESBبتواند با ورودی/ خروجی متفاوت تعامل داشته باشد.به ازای هر مصرف کننده و یا ارائه دهنده سرویس، یک سازگارکننده خاص وجود دارد که تنها ترکیب خاصی از پروتکل های و فرمت های پیام را تشخیص می دهد.به عنوان مثال می توان سازگارکننده ای را نام برد که کلیه درخواست های ورودی بر مبنای SOAP را روی HTTP ارائه می دهد.
توزیع کننده: به عنوان یک نقطه ورود مرکزی عمل می کند و وظیفه آن دریافت اطلاعات از سازگار کننده ها و ارسال به قسمت مربوطه برای مسیریابی، تبدیل، غنی سازی، و غیره می باشد. توزیع کننده درخواست ها را به سمت اداره کننده درخواست ها ارسال می کند و همراه با آن قابلیت مسیریابی مبتنی بر محتوا را در ESB فراهم می نمایند.

شکل 2-7. اجزای منطقی تشکیل دهنده ] ESB 39 [
اداره کننده درخواست ها: هر سرویس اداره کننده درخواست مخصوص به خود دارد و وظیفه آن انتقال پارامترهای خاص مربوط به سرویس به موتور مسیریابی برای اجرای مناسب سرویس می باشد.
موتور قوانین و مسیریابی: وظیفه این مولفه، اجرای تبدیل و غنی سازی وظایف و مسیریابی آنها برای تحویل به نمایندگان سرویس خاص می باشد.
نماینده های سرویس: به عنوان نقطه انتهایی برای دسترسی به سرویس خاص هستند و با استفاده از سازگارکننده ها با ارائه دهندگان سرویس ارتباط برقرار می کنند.
موتور تبدیل: این جزء ازESB کلیه پیام ها و یا داده های ورودی را به فرمت مناسب برای ارائه کننده سرویس تبدیل می کند.
اجزاء غنی سازی : این مولفه به ESB اجازه می دهد تا محتویات پیام را مطابق با نیاز ارائه دهنده سرویس و از طریق یک منبع خارجی (مانند: پایگاه داده) تقویت نماید.
اجزاءثبت عملیات: این جزء ازESB، پشتیبانی از ثبت عملیات مورد نیاز برای سایر بخش ها را فراهم می نماید.
اجزاء مدیریت استثناءها: وظیفه این بخشازESB مدیریت استثنائات تولید شده توسط سایر بخش ها و اجزاء می باشد.
2-9 انگیزه ی حرکت سیستم های تولید ی به سمت معماری سرویس گرا
درسیستم های تولیدی فعالیتهای گوناگونی انجام می شود، پیشرفت‌های اخیر در زمینه تولید و تکنولوژی اطلاعات، جایگزین‌های استراتژیکی را برای طراحی سیستم‌های اطلاعاتی محیط‌های تولیدی مهیا و معرفی کرده است. بیشتر شرکت‌ها، استفاده استراتژیک از سیستم‌های اطلاعاتی را به منظور فراهم‌سازی مزیت رقابتی بالا، شروع کرده‌اند. آنها، عملیات تولید و استراتژی کسب و کار خود را با استفاده از سیستم‌های اطلاعاتی، یکپارچه ساخته و توانسته‌اند توازنی مطلوب بین یکنواختی و قابلیت انطعاف در تولید را با استفاده از توسعه مفاهیم سیستم‌های یکپارچه (در مقابل روش‌های معمول تولید) برقرار سازند.
به همین دلیل سازمان ها امروزه به سمت معماری سرویس گرا روی آورده اند که رویکردی برای سرعت بخشیدن در انجام فرآیندهای سیستم اطلاعاتی می باشد.
در واقع انگیزه اصلی سیستم spx به سمت معماری سرویس گرا، بهبود انعطاف پذیری و کارایی این سیستم ها در تغییرات نیازمندی ها است. یکی از علل شکست سیستم های تولیدی، ضعف آن در تطبیق و یکپارچگی با سیستم های درونی و بیرونی است. این سرویس ها می توانند به راحتی پیکربندی شده، و بدین ترتیب مطابق با خواسته های سازمان عمل کند.
همچنین مبنی بر استانداردهای باز، سرویس ها این امکان را می دهند که هر بخش از نرم افزار ها از طریق انتقال پیام با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. معماری سرویس گرا این کار را نیز آسان تر کرده است. از دیگر مزایای معماری سرویس گرا می توان به این نکته اشاره کرد که هزینه تغییرات تا حد بسیار زیادی کاهش پیدا می کند، چرا که نیاز به تغییر کل سیستم نبوده، و سرویسی که مورد نیاز می توان اضافه کرده و یا آن را تغییر داد. سرویس ها از طریق کانال های متنوع و به کمک فناوری های مختلفی لرائه می شوند و باید به نحوی باشند که بتوانند با تغییر فناوری ها همچنان قابل استفاده باشند. با استفادع از رهیافت معماری سرویس گرا مشکلاتی که برای نگهداری و بروز کردن برنامه های کاربردی قدیمی وجود داشت، تا حد زیادی برطرف شده اند.
راه حل معماری سرویس گرا برای واحدهای مختلف سازمان، استفاده از وب سرویس های استاندارد است. تاکنون بحث های زیادی پیرامون موضوع معماری سرویس گرا و اینکه سرویس ها در این معماری فرآیندهای کسب و کار سریع و انعطاف پذیر را ایجاد می کنند، شده است.
توصیه کرده است که توسعه ی برنامه های کاربردی سرویس گرا در مقایسه با متدهای توسعه ی قدیمی، هزینه ی فناوری اطلاعات سازمان را در حدود 20 در صد کاهش داده است] 30[.
2-10 تعریف برون سپاری
برون سپاری دارای تاریخچه ای طولانی است. وجود ضرب المثل هایی نظیر "کار را به کاردان بسپارید" و یا آیاتی از قرآن مجید مبنی بر گرفتن دایه برای فرزندان مصداقی از برون سپاری است]10[. در دنیای کنونی سرعت تغییر دانش و اطلاعات به قدری است که سازمانهای بزرگ به سرعت از گردونه رقابت خارج میشوند و این امر باعث چاره اندیشی شرکت های بزرگ شده است. یکی از راههای نجات این شرکتها برون سپاری فعالیتها و کوچک سازی سازمانها است تا جایی که بتوانند به سرعت تغییر کنند]10[.
تعاریف متفاوتی برای برون سپاری ذکر شده که می توان به موارد زیر اشاره کرد:
واگذاری تمام یا بخشی از مسئولیت یکی از واحدهای سازمان به یک عرضه کننده بیرون از سازمان
خریدن بخشی از منابع یا امکانات یک شرکت یا سازمان
نوعی مقاطعه کاری که در همه ی زمینه ها قابل استفاده باشد
ارایه خدمات و ابزار برای یک سازمان
تصمیم اتخاذ شده توسط یک سازمان جهت ارایه و یا فروش داراییها نیروی انسانی و خدمات به شخص ثالث، که طرف قرارداد متعهد میگردد در قبال درآمد مشخص و در یک زمان معین، دارایی ها و خدمات قید شده در قرارداد را ارایه و مدیریت نماید.
(Ferry D. Kraker) برون سپاری عبارتست از پیدا کردن ارائه دهندگان خدمت جدید و روشهای جدیدی که بتوان با اطمینان تهیه مواد، کالاها، اجزاء و خدمات را به آنها واگذار نمود.
در حقیقت در واگذاری یا برون سپاری، سازمان از دانش و تجربه و خلاقیت ارائه دهندگان خدمت جدیدی که قبلاً استفاده نکرده است، بهره مند می شود.
2-10-1 عوامل تاثیر گذار بر برون سپاری
عوامل مختلفی در امر برون سپاری فعالیتهای سازمانی دخیل هستند و محققین مختلف عوامل گوناگونی را مطرح نموده اند. در مطالعه ای که توسط یانگ صورت گرفت، پنج عامل استراتژی، کیفیت، مدیریت، اقتصاد و فناوری بعنوان عوامل تأثیرگذار در موفقیت برون سپاری معرفی شده اند
]44[.در مطالعه دیگری شش دلیل عمده برای استفاده از استراتژی برونسپاری توسط سازمانهای مختلف بیان شده که عبارتند از: صرفه - جوییهای مالی، تمرکز راهبردی، دسترسی به تکنولوژیهای پیشرفته، ارائه خدمات پیشرفته، دستیابی به مهارتها و تخصصهای جدید و خط مشیهای سازمانی ]45[.در مطالعه دیگری تمایل به کاهش هزینه ها و افزایش کارایی، تمرکز بر قابلیتهای کلیدی سازمان، شناخت و معرفی نیروی کاری منعطف، بهبود مدیریت روابط صنعتی، ارضای اهداف شخصی تصمیم گیرندگان و تابعیت از قوانین حکومتی به عنوان دلایل عمده برونسپاری نام برده شده اند] 46 [. آرنولد در مطالعه ای که بر روی عوامل تأثیرگذار بر برونسپاری انجام داده است، سه عامل صرفه جویی در هزینه ها، تمرکز بر قابلیتهای کلیدی و انعطاف پذیری در برابر تغییرات محیطی را به عنوان عوامل موثر در استراتژی برونسپاری معرفی می نماید]30[. از مهمترین دلایل برونسپاری میتوان به کاهش کنترل مدیریت، بهبود کیفیت خدمات، تمرکز بر قابلیتهای کلیدی، دستیابی به تکنولوژیهای جدید، کاهش هزینه های سربار، افزایش خبرگی در داخل سازمان، کاهش هزینه های داد و ستد، کاهش هزینه های تولید، سرمایه گذاری در فناوری، افزایش ظرفیت و بهبود موقعیت در زنجیره تأمین وافزایش ظرفیت تغییر در سازمان اشاره نمود] 47[. بطور خلاصه محرک های برون سپاری را میتوان در قالب جدول 2- 1 مشاهده نمود.
جدول 2- 1 محرکهای چندگانه برون سپاری ]50[
محرکهای برون سپاری پیامدها و نتایج محرکهای برون سپاری تحقیقات صورت گرفته
محرکهای اقتصادی 1-کاهش هزینه و صرفه جویی سودآوری بیشتر بهبود اثربخشی عملیات Trunick (2010),
Richardson (2012),
Gonzalez et al. (2013)
2-کاهش نیاز به سرمایه گذاری تمرکز بیشتر سرمایه ها بر روی بخشهای کلیدی بهبود نرخ بازگشت دارائی Corbett (2008),
Razzaque and Sheng (2011), Trunick (2012)
Lynch (2013),
Embleton and Wright (2008),
Claver et al. (2011)
محرکهای استراتژیک -1 برنامه ریزی استراتژیک برای تمرکز بر نقاط کلیدی کسب مزیت رقابتی بهبود عملکرد،
رضایت ارباب رجوع/ مشتریان،
ارتقاء مهارت منابع انسانی، افزایش رقابت Corbett (2009),
Embleton and Wright (2010),
lott (2013),
Prahalad and Hamel (2000),
Quinn and Hilmer (2003),
Weerakkody et al. (2012)
-2 افزایش انعطاف پذیری توان ارائه محصولات و خدمات
مختلف، افزایش توان مسئولیت پذیری، کاهش ریسک Quinn and Hilmer (2003),
Corbett (2007), Embleton and Wright (2007), Razzaque and Sheng (2007), Kakabadse and Kakabadse (2009), Jennings (2011), Lynch (2013)
محرکهای محیطی -1 توسعه IT تشویق سازمانها برای بکارگیری
سیستمهای اطلاعاتی پیشرفته به
منظور ارتقاء اثربخشی و مقرون به
صرفه بودن Lynch (2013)
-2 جهانی شدن بدست آوردن مزیت رقابتی Clott ( 2013)
-3 فشارهای جامعه ارائه محصولات و خدمات با قیمت پائین تر و کیفیت بهتر Jennings (2011)
2-10-2 دلایل عمده برون سپاری
از نقطه نظر دلایل سازمانی
افزایش اثربخشی از طریق تمرکز بر روی کاری که سازمان در انجام آن بهترین است.
افزایش انعطاف پذیری برای مقابله با شرایط کسب و کار، تقاضا برای محصولات و خدمات و تکنولوژی
تغییر سازمان
افزایش ارزش محصولات و خدمات، رضایت مشتریان و ارزش سهام
از نقطه نظر دلایل بهبود
بهبود عملکرد عملیات
بدست آوردن تخصص ها، مهارت ها و تکنولوژی هایی که قبلاً قابل دستیابی نبوده است.
بهبود مدیریت و کنترل
بهبود مدیریت ریسک
بدست آوردن ایده های نوآورانه
بهبود اعتبار و تصویر سازمان به وسیله مشارکت با ارائه دهندگان خدمت برتر
از نقطه نظر دلایل مالی
ایجاد نقدینگی از طریق انتقال داراییها به ارائه دهندگان خدمت
کاهش سرمایه گذاری روی دارائیها و آزادسازی آنها برای سایر اهداف
از نقطه نظر دلایل درآمدی
بدست آوردن سهم بازار و فرصتهای کسب و کار از طریق شبکه ارائه دهندگان
تسریع در رشد و توسعه ظرفیت، از طریق قرارگرفتن در جریان فرایندها و سیستم های ارائه دهنده
رشد فروش و ظرفیت تولید در بازه زمانی، وقتی که امکان تامین مالی چنین رشدی در سازمان وجود نداشته باشد
گسترش تجاری مهارت های موجود
از نقطه نظر دلایل هزینه ای
کاهش هزینه ها از طریق عملکرد برتر و ساختار هزینه ای پایین تر ارائه دهندگان خدمت
تغییر هزینه های ثابت به متغیر
2-10-3 معایب برون ‌سپاری
تبعات برون سپاری شامل امکان از دست رفتن کنترل بر فرایندها، مشکل در مدیریت روابط با تأمین کننده، تغییرات عرصه کسب و کار در بلند مدت، مشکل لغو قرارداد، ایجاد تعارض سازمانی در روابط با تأمین کننده، از دست رفتن مشاغل در سازمان، کاهش کیفیت و افزایش هزینه به دلیل انتخاب نامناسب تأمین کننده می‌شود.نشریه فوربس در دسامبر ۲۰۱۲ با انتشار پروژه - ریسرچمفصلی به تحلیل روند بازگشت خطوط تولید تعدادی از معتبرترین برندهای آمریکایی نظیر اپل، GE و... به آمریکا پرداخت و نتیجه گرفت که مهمترین عیب «برون سپاری» فاصله افتادن بین سازمان طراحی و سازمان تولید یک شرکت است که در نتیجه آن بازخوردهای لازم در مورد سختی و آسانی و هزینه‌های فرایند تولید محصول به موقع برای بهبود طرح به بخش طراحی نمی‌رسد.
2-10-4 تعریف برون سپاری استراتژیک
برون سپاری استراتژیک عبارتست از: یک نگاه استراتژیک به برون سپاری که بتواند فرایندهای مسئله دار، وضع بد بهره وری ، مشکلات ترک کارکنان و امثال آن را در یک نگاه بلند مدت حل کند. بر این اساس اقدام برون سپاری زمانی استراتژیک خواهد شد ، که با استراتژی های بلندمدت سازمان همراستا شود ، منافع برون سپاری بعد از گذشت چندین سال پدیدار گردد و نتایج مثبت یا منفی آن برای سازمان از اهمیت ویژه ای برخوردار باشد برون سپاری استراتژیک با پرسیدن سوالات اساسی درباره رابطه برون سپاری با سازمان و موضوعات سازمانی زیر ، برون سپاری را در سطح بالاتری قرار می دهد.
چشم انداز آینده
قابلیت های کلیدی فعلی و آینده
ساختار فعلی و آینده
هزینه های فعلی و آینده
عملکرد فعلی و آینده
مزیت رقابتی فعلی و آینده
2-10-5 کارهای انجام شده در ارتباط با برون سپاری
در گذشته به دلیل هزینه های زیادی که فرایند برون‌سپاری داشته پیمانکاران توان ارائه خدمات به کسب و کارهای کوچک و متوسط را نداشتند. و همچنین کسب و کارهای کوچک و متوسط نیز تمایل به برون‌سپاری نداشتند زیرا بر این عقیده بودند که پیمانکاران نمی توانند پروژه را به طور کامل درک کنند و نمی خواستند کنترل فرایند های داخلی را به خارجی ها بدهند. کسب و کار های کوچک برای آنکه بیشتر مورد دسترس باشند به برون‌سپاری روی آورده اند. از طرف دیگر این نوع فعالیت ها به آنها اجازه می دهد تا بتوانند با توان کمتر با شرکت های بزرگتر که خدمات با کیفیتی را ارائه می دهند نیز رقابت کنند.
امروزه برونسپاری به عنوان یکی از استراتژیهای موثر در دنیای کسب و کار شناخته شده است. در این راستا برونسپاری فرایندهای کسب و کار به عنوان یکی از متداولترین اشکال برونسپاری به شمار می آید. در سالهای اخیر بسیاری از سازمانها برای حفظ مزیت رقابتی خود در بازارهای منطقهای و جهانی برونسپاری فعالیتهای سازمانی را شروع کرده و همچنین امروزه بسیاری از سازمانها اقدام به برونسپاری برخی از فعالیتهای خود به عنوان یک رویکرد راهبردی نمودهاند. فرایند برون سپاری برخی از فعالیتهای سازمان بواسطه پیچیدگی و عدم قطعیت موجود در این فرایند، نیازمند صرف زمان و دقت کافی برای جلوگیری از شکست این فرایند در سازمان است. این مسئله خود نیازمند مدیریت قوی در حوزه برونسپاری در سازمان است. در واقع برای جلوگیری از ایجاد هرگونه مشکلی در فرایند برونسپاری بایستی اقدام به تصمیمات راهبردی در این حوزه و در نتیجه انتخاب استراتژیهای مناسب سازمان در امر برونسپاری نمود. برون‌سپاری باعث کاهش هزینه های اجرایی و بالا بردن بهره وری در کسب و کار های کوچک و بالا بردن توان رقابتی آنها می شود. امروزه پیچیدگی فضای کسب و کار، افزایش رقابت میان تولید کنندگان، محدودیت منابع و بسیاری عوامل دیگر، سبب شده که سازمان های تولیدی به سمت بکارگیری فرآیندها و تصمیمات بهینه در حرکت باشند تا از این رهگذر، امکان بقای بالنده سازمان را تضمین نمایند. بدیهی است که تخصصی شدن و در نتیجه محدود کردن حیطه فعالیتها، در صورتی مقدور خواهد بود که بخشی از وظایف به خارج از سیستم برون سپاری گردد. در واقع برون سپاری عبارت است از واگذاری بخشی از فعالیتهای محوری یا غیر محوری سازمان بر مبنای تصمیمات اخذ شده، که منجر به کاهش نرخ یکپارچه سازی عمودی میشود ] 12 [ .
برخی از محققان، بیشتر در حوزه تولید و مدیریت زنجیره تأمین، برون سپاری را چیزی بیش از تکامل مطالعات در حوزه ساخت یا خرید نمی دانند.
در گذشته، برون سپاری زمانی مورد استفاده قرار می گرفت که سازمانها نمی توانستند خوب عمل کنند. در رقابت ضعیف بودند، کاهش ظرفیت داشتند، با مشکل مالی روبرو بودند و یا از نظر فن آوری عقب و شکست خورده بودند. امروزه سازمانهایی که کاملا موفق هستند نیز از این ابزار برای تجدید ساختار سازمانهایشان استفاده می کنند و مدیران این سازمانها به عنوان یک موضوع حیاتی این موضوع را درک کرده اند که ایجاد قابلیت های کلیدی برای برآورده نمودن نیازهای مشتری ضروری است و باید در این راه تلاش نمایند.
دیگر محققان، عموما در حوزه مدیریت عملیات خدمات، آن را یک روند انقلابی و جهشی که در چند سال گذشته آغاز گشته است می دانند. یکی از تئوری هایی که در اکثر منابع به آن در مورد منشأ برون سپاری اشاره می شود، تئوری هزینه مبادله می باشد و از این رو سرچشمه دانش برون سپاری به حدود هفتاد سال قبل بر می گردد.
در طول این هفتاد سال چندین تئوری در رشته های مختلف توسعه یافته اند که به طور مکرر در مطالعاتی که امروزه در مورد برون سپاری وجود دارد، به طور خلاصه به آنها اشاره می شود. 10 تئوری که از آنها بیشتر در مقالات و منابع علمی به عنوان ریشه های برون سپاری یاد می شود به شرح زیر می باشند:
1. تئوری هزینه مبادله
2. دیدگاه بر اساس منابع
3. تئوری عامل اصلی
4. تئوری ادغام عمودی
5. مدیریت استراتژیک
6. اقتصاد تکاملی
7. دیدگاه ارتباط
8. اقتصاد صنعتی
9. تئوری هم ترازی استراتژیک
10. تئوری شایستگی اصلی
عموما در تحقیقات مربوط به برون سپاری چهار پرسش متداول مد نظر قرار می گیرد که عبارتند از:
1. چرا باید برون سپاری کنیم؟
2. کدام فعالیت ها و فرآیند ها باید برون سپاری شوند؟
3. عوامل اصلی موفقیت در ارتباط با برون سپاری کدامند؟
4. چگونه باید این برون سپاری را هدایت کنیم؟
برون‌سپاری باعث کاهش هزینه های اجرایی و بالا بردن بهره وری در کسب و کار های کوچک و بالا بردن توان رقابتی آنها می شود.
با توجه به گزارش گارتنر بازار برون‌سپاری در سال 2003، در کشور آمریکا معادل 15 میلیارد دلار بوده است.
مراحل 10 گانه گارتنر جهت موفقیت در برون سپاری
جا انداختن تفکر برون‌سپاری به عنوان یک روش عملی
همراستا کردن تمام فعالیتهای مرتبط با برون‌سپاریبا راهبردهای کسب و کار
داشتن توقعات واقع بینانه از کسب سود قبل از اقدام به برون سپاری
بالا بردن ارزش خدمات منعطف در مقابل خدمات ثابت
انتخاب روشهای تحویل سازگار با اهداف تجاری و کسب وکار سازمان
تعریف محرکها و روش ارتباطی به جهت حصول سود دو جانبه
مذاکرات پی در پی جهت اتخاذ معامله برنده-برنده
ارائه راه حلهای تجاری بر مبنای شبکه تولیدکنندگان
توسعه و پیاده سازی روشهای مدیریت توزیع متمرکز
ایجاد تعادل میان نظارت و اعتماد در روابط برون سپاری
2-11 سیستم اطلاعاتی
همان طور که می دانیم همزمان با ظهور فن آوری، و حضور آن در سازمان ها، توسعه ی سیستم های اطلاعاتی نیز روز به روز افزایش یافت. دیوید و السون، یک سیستم اطلاعاتی را به عنوان یک سیستم یکپارچه به منظور ارائه ی اطلاعات برای پشتیبانی عملیات، مدیریت، و تصمیم گیری در یک سازمان تعریف کرده اند. به عبارتی دیگر می توان گفت که یک سیستم اطلاعاتی، عبارت است از یک سیستم کامل طراحی شده برای تولید، جمع آوری، سازماندهی، ذخیره و توزیع اطلاعات در یک سازمان. این اطلاعات بسته به نوع سیستم اطلاعاتی برای تصمیم گیری، کنترل، ساخت محصولات جدید و ... مورئ استفاده قرار می گیرند. داده های جمع آوری شده از سازمان یا محیط خارج از آن، به عنوان ورودی یک سیستم اطلاعاتی به شکلی با معنا پردازش شده، و خروجی به افراد یا فعالیت هایی که از آنها استفاده می کنند منتقل می شود. برخی از سیستم های اطلاعاتی عبارتند از سیستم پردازش تراکنش، سیستم اطلاعاتی مدیریت، سیستم تصمیم یار، سیستم اطلاعاتی اجرایی و ...]41[.
توسعه ی سیستم اطلاعاتی به طور عمده بر روی کارایی فرایندهای کسب و کار و به صورت غیر مستقیم، بر روی برآورده کردن نیازمندی های مورد تقاضای سازمان تمرکز می کند.
امروزه تمامی سیستم‌های تولیدی به روشنی بیانگر این نکته‌اند که مفاهیم و ساختار کار آنها، از ایده «آدام اسمیت» مبنی بر تخصصی شدن کار و شکسته شدن یک کار به کارهای کوچک‌تر، گرفته شده است. تخصصی شدن کارها، تولید انبوه محصولات استاندارد شده را امکان‌پذیر می‌سازد.
مفهوم سیستم تولید یکپارچه، تنها شامل عناصر درون سازمان نبوده و از عناصری متعدد تشکیل شده است که در یک سوی آن تامین‌کنندگان مواد و قطعات و در سوی دیگر، مشتریان قرار دارند.برای عملکرد موثر این سیستم‌ها، در طراحی آنها باید یکپارچه‌سازی بیشتر فعالیت با هم و کاهش لایه‌های سلسله مراتبی را مدنظر قرار داد. کندی جریان اطلاعات و یا ناکافی بودن آن بین واحد تولید و دیگر واحدها نظیر بازاریابی یا تحقیق و توسعه، مسئله‌ای رایج در شرکت‌های تولیدی است. برای بیشینه کردن کارایی سازمان، تمامی کارکردها به جای این‌که به تنهایی بهینه‌سازی شوند باید به صورت یکپارچه‌ با هم در تعامل باشند.
بیشتر سیستم‌های اطلاعات در محیط‌های تولیدی، برنامه‌های کاربردی تخصصی هستند که سعی دارند تکنولوژی‌های پیشرفته تولید را با استفاده از رایانه، قابل استفاده و کنترل کنند.سیستم اطلاعات جامع تولید در پی آن است که این برنامه‌های کاربری تخصصی و جزیره‌ای مهندسی، تولیدی و تجاری را در قالب یک سیستم اطلاعاتی جامع یکپارچه ترکیب کند.
در این راستا با شناخت تهدیدات و فرصت‌های محیطی، قابلیت‌ها ی این‌گونه سیستم‌ها، استراتژی طراحی و توسعه آنهاست. همچنین خواهیم دید که چگونه این سیستم‌ها به عنوان سلاحی رقابتی به‌کار گرفته می‌شوند.
2-12 کارهای انجام شده د ر ارتباط با به کارگیری سیستم اطلاعاتی در یکپارچگی واحد های مختلف تولید
سیستم اطلاعات جامع تولید، جایگزینی قدرتمند برای کسب مزیت رقابتی بوده و وضعیت جاری و تکنولوژی اطلاعات را با هم درمی‌آمیزد. این سیستم، حرکت به سوی یکپارچگی کامل تکنولوژی تولید و استراتژی کسب و کار را در یک سیستم اطلاعاتی نشان می‌دهد و شامل تمامی کارکردهایی است که یک شرکت تولیدی باید دارای آنها باشند.
نمونه این کارکردها، ماجول‌های تحلیل بازار، کنترل کیفیت، مدیریت کیفیت و پشتیبانی از تصمیم‌گیری است. سیستم اطلاعات جامع تولید، قابلیت پاسخگویی سریع به تغییرات را فراهم ساخته و انعطاف‌پذیری در تولید محصولات را تسهیل می‌بخشند.با استفاده از این سیستم‌ها، طراحی و حمایت از استراتژی‌های رقابتی در یک سازمان، قابل دستیابی بوده و می‌توان از عهده تغییرات در تکنولوژی، منابع و مسئولیت‌ها برآمد.
امروزه تمامی سیستم‌های تولیدی به روشنی بیانگر این نکته‌اند که مفاهیم و ساختار کار آنها، از ایده «آدام اسمیت» مبنی بر تخصصی شدن کار و شکسته شدن یک کار به کارهای کوچک‌تر، گرفته شده است. تخصصی شدن کارها، تولید انبوه محصولات استاندارد شده را امکان‌پذیر می‌سازد.
مفهوم سیستم تولید یکپارچه، تنها شامل عناصر درون سازمان نبوده و از عناصری متعدد تشکیل شده است که در یک سوی آن تامین‌کنندگان مواد و قطعات و در سوی دیگر، مشتریان قرار دارند.برای عملکرد موثر این سیستم‌ها، در طراحی آنها باید یکپارچه‌سازی بیشتر فعالیت با هم و کاهش لایه‌های سلسله مراتبی را مدنظر قرار داد. کندی جریان اطلاعات و یا ناکافی بودن آن بین واحد تولید و دیگر واحدها نظیر بازاریابی یا تحقیق و توسعه، مسئله‌ای رایج در شرکت‌های تولیدی است. برای بیشینه کردن کارایی سازمان، تمامی کارکردها به جای این‌که به تنهایی بهینه‌سازی شوند باید به صورت یکپارچه‌ با هم در تعامل باشند.
بیشتر سیستم‌های اطلاعات در محیط‌های تولیدی، برنامه‌های کاربردی تخصصی هستند که سعی دارند تکنولوژی ‌های پیشرفته تولید را با استفاده از رایانه، قابل استفاده و کنترل کنند.سیستم اطلاعات جامع تولید در پی آن است که این برنامه‌های کاربری تخصصی و جزیره‌ای مهندسی، تولیدی و تجاری را در قالب یک سیستم اطلاعاتی جامع یکپارچه ترکیب کند.

user8342

در تحقیق حاضر مسئله خنک کاری مغز به روش انتقال حرارت معکوس به منظور کاهش آسیب های احتمالی مورد بررسی قرار گرفته است. کاهش دمای مغزفواید بسیاری در مقابل آسیب های تراماتیک و ایشکمیک مغز دارد و می تواند بیمار را مدت بیشتری در وضعیت حیاتی نگه دارد. هندسه مغز به عنوان یک فرض ساده کننده، به صورت یک نیمکره متقارن در نظر گرفته شده است. مسئله معکوس با روش گرادیان مزدوج حل شده است.اساس روش بر مبنای مینیمم سازی تابع هدفی است که که به صورت مجموع مربعات تفاضل دماهای محاسبه شده و دماهای اندازه گیری شده از آزمایش بر روی مرز خارجی مغز تعریف می گردد. با حدس یک شار اولیه مسئله را حل کرده، توزیع دما و شار حرارتی مورد نظر به منظور کاهش دمای مرکز مغز به میزان 5 درجه ( رسیدن به دمای 33 درجه)، به دست آمده اند. توابع محاسبه شده با استفاده از روش معکوس با توابع دقیق مقایسه شدهاند.
فهرست علائم و اختصارات:
C گرمای ویژه، J/ kg d جهت گام بهینه
eRMS خطای RMS
k هدایت گرمایی بافت، W/m °C
Ns تعداد سنسورها
n بردار عمود بر سطح
q شار حرارتی W/m2q'''m نرخ تولید گرمای متابولیک W/m3R شعاع سر m
S تابع هدف
Tدما KTa0 دمای مرکزی بدن Kt زمان sWb نرخ خون تزیق وریدی kg/(mas)Y دمای مورد نظر(اندازهگیری شده)
Greek letters a نفوذپذیری گرمایی m2/sβ اندازه گام حل
γ ضریب الحاقی
ε پارامتر توقف
θ زمان بیبعد
λ متغیر مسئله حساسیت
ρ چگالی بافت زنده kg/m3b خون
r* مشتق نسبت به r*
z* مشتق نسبت به z*η مشتق نسبت به ηξ مشتق نسبت به ξSuperscripts k تعداد تکرارها

فهرست مطالب
عنوانشماره صفحه
TOC o h z u فصل اول: مقدمه PAGEREF _Toc418272714 h 11-1 مقدمه: PAGEREF _Toc418272715 h 21-2- تاریخچه: PAGEREF _Toc418272716 h 7فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع PAGEREF _Toc418272717 h 152-1 مسائل بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272718 h 162-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272719 h 172-3 راه‌حل کلی PAGEREF _Toc418272720 h 182-4 نرخ هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272721 h 192-5-1 محاسبه گرادیان PAGEREF _Toc418272722 h 222-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابع PAGEREF _Toc418272723 h 232-6 معیار هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272724 h 242-7 روش کاهش سریع PAGEREF _Toc418272725 h 252-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272726 h 252-8-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272727 h 252-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272728 h 272-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتی PAGEREF _Toc418272729 h 312-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272730 h 322-8-5 تکنیک I PAGEREF _Toc418272731 h 342-8-5-1 شرح تکنیک PAGEREF _Toc418272732 h 342-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت PAGEREF _Toc418272733 h 372-8-6 تکنیک II PAGEREF _Toc418272734 h 382-8-6-1 متد گرادیان مزدوج PAGEREF _Toc418272735 h 382-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دوم PAGEREF _Toc418272736 h 442-8-6-3 اندازه‌گیری پیوسته PAGEREF _Toc418272737 h 452-8-7 تکنیک III PAGEREF _Toc418272738 h 462-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترها PAGEREF _Toc418272739 h 462-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سوم PAGEREF _Toc418272740 h 492-8-8 تکنیک IV PAGEREF _Toc418272741 h 502-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابع PAGEREF _Toc418272742 h 502-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارم PAGEREF _Toc418272743 h 52فصل سوم: مدل ریاضی PAGEREF _Toc418272744 h 543-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272745 h 553-2 مدل‌های هدایت گرمایی PAGEREF _Toc418272746 h 553-2-1 مدل پنز PAGEREF _Toc418272747 h 553-2-2 مدل چن هلمز [26] PAGEREF _Toc418272748 h 60فصل چهارم: تخمین شار حرارتی گذرا در حالت متقارن محوری PAGEREF _Toc418272749 h 614-1- فیزیک مسئله PAGEREF _Toc418272750 h 624-2- محاسبه توزیع دما در حالت گذرا PAGEREF _Toc418272751 h 63در این بخش به بررسی روش حل معادلات انتقال حرارت متقارن محوری در حالت گذرا پرداخته میشود. PAGEREF _Toc418272752 h 634-2-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272753 h 634-2-2- معادلات حاکم در دستگاه مختصات عمومی PAGEREF _Toc418272754 h 644-2-3- متریک ها و ژاکوبین های تبدیل PAGEREF _Toc418272755 h 654-2-4 تبدیل معادلات از صفحه فیزیکی به صفحه محاسباتی PAGEREF _Toc418272756 h 674-2-5- گسسته سازی معادلات PAGEREF _Toc418272757 h 694-2-6 شرایط مرزی مسئله PAGEREF _Toc418272758 h 714-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272759 h 744-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272760 h 754-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272761 h 764-3-3 معادله گرادیان PAGEREF _Toc418272762 h 764-3-4 روش تکرار PAGEREF _Toc418272763 h 774-5: تخمین شار حرارتی مجهول در مدل سه لایه PAGEREF _Toc418272764 h 774-5-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272765 h 784-5-2 شرایط مرزی مساله PAGEREF _Toc418272766 h 784-5-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272767 h 804-5-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272768 h 804-5-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272769 h 81فصل پنجم: نتایج PAGEREF _Toc418272770 h 82نتیجه گیری: PAGEREF _Toc418272771 h 94پیوست الف PAGEREF _Toc418272772 h 95پیوست ب PAGEREF _Toc418272773 h 96اعتبارسنجی حل مستقیم PAGEREF _Toc418272774 h 96مراجع: PAGEREF _Toc418272775 h 115
فهرست جداول
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی18
جدول 4-1. خواص لایه های استفاده شده79
جدول5-1. خطایRMS برای توابع مختلف در نظر گرفته شده برای شار حرارتی88

فهرست اشکال
شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف19
شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش21
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز56
شکل 4-1 نمایش فیزیک مسئله62
شکل 4-2 - نمایش صفحه مختصات فیزیکی و محاسباتی64
شکل 4-3-نمایش گره مرکزی و هشت گره همسایه آن70
شکل 4-4- نمایش صفحه محاسباتی71
شکل 4-5- نمایش شرایط مرزی در صفحه فیزیکی71
شکل 4-6- نمایش مساله سه لایه در صفحه محاسباتی78
شکل 4-7- نمایش هندسه مساله متشکل از سه لایه مختلف بافت مغز، استخوان و پوست سر80
شکل5-1 شبکه مورد استفاده در حل مسئله و موقعت سنسورها83
شکل 5-2. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد85
شکل 5-3. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد85
شکل 5-4. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد86
شکل5-5. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد86
شکل 5-6. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پلهای میباشد87
شکل5-7. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد87
شکل 5-8. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد89
شکل 5-9. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد89
شکل 5-10. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس و کسینوس میباشد90
شکل 5-11. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد90
شکل 5-12. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد91
شکل 5-13. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس-کسینوس میباشد91
شکل 5-14. مقایسه دمای محاسبه شده و دمای دقیق.92
شکل 5-15. شار محاسبه شده92
ضمائم:
شکل1- هندسه مستطیلی با شرایط مرزی دما ، عایق و شار حرارت96
شکل2- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 1 پس از 12 ثانیه97
شکل3- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 2 پس از 12 ثانیه98
شکل4- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 4 پس از 12 ثانیه98
شکل5- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 5 پس از 12 ثانیه99
شکل6- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره7 پس از 12 ثانیه99
شکل7- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 8 پس از 12 ثانیه100
شکل8- هندسه منحنی با شرایط مرزی عایق و شار حرارتی101
شکل9- مقایسه منحنی توزیع دما برای گره میانی پس از 60 ثانیه101
شکل 10- نمایش هندسه منحنی متشکل از سه لایه مختلف آزبست ، فولاد و آلومینیم102
شکل 11- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای مسئله چندلایه103
شکل 12- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای مسئله چندلایه103
شکل 13- نمایش شبکه 30*30104
شکل 14- نمایش شبکه 40*40105
شکل 15- نمایش شبکه 50*50105
شکل 16- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله یک‌لایه106
شکل 17- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله دولایه106
شکل 18- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله سه لایه107
شکل 19- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله یک‌لایه107
شکل 20- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله دولایه108
شکل 21- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله سه لایه108
شکل 22- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله یک‌لایه109
شکل 23- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله دولایه110
شکل 24- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله سه لایه110
شکل 25- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای هندسه نامنظم با تقارن محوری111
شکل 26- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای هندسه نامنظم با تقارن محوری112
شکل 27- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر113
شکل 28- نمایش منحنیهای توزیع دمای مرکز کره113
شکل 29- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که در موقعیت r=5 cm قرارگرفته114
شکل 30- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که بر روی سطح کره قرارگرفته است114
فصل اول: مقدمه1-1 مقدمه: توسعه کامپیوتر و ابزار محاسباتی، رشد روش‌های عددی را برای مدل‌سازی پدیده‌های فیزیکی تسریع کرده است. برای مدل‌سازی یک پدیده فیزیکی به یک مدل ریاضی و یک روش حل نیاز است. مدل‌سازی مسائل هدایت حرارتی نیز بهمانند دیگر پدیده‌های فیزیکی با حل معادلات حاکم امکان‌پذیر است. برای حل مسائل هدایت حرارتی به اطلاعات زیر نیاز داریم:
هندسه ناحیه حل
شرایط اولیه
شرایط مرزی (دما یا شار حرارتی سطحی)
خواص ترموفیزیکی
محل و قدرت منبع حرارتی درصورتی‌که وجود داشته باشند.
پس از حل معادلات حاکم توزیع دما در داخل ناحیه حل به دست میآید. این نوع مسائل را مسائل مستقیم حرارتی می‌گوییم. روش‌های حل مسائل مستقیم از سال‌ها پیش توسعه‌یافته‌اند. این روش‌ها شامل حل مسائلی با هندسه پیچیده و مسائل غیرخطی نیز میگردند. علاوه بر این پایداری و یکتایی این روش‌ها نیز بررسی‌شده است. روش‌های اولیه عمدتاً بر مبنای حل‌های تحلیلی بودهاند.
این روش‌ها بیشتر برای مسائل خطی و با هندسه‌های ساده قابل‌استفاده هستند. برعکس، روش‌های عددی دارای این محدودیت نبوده و برای کاربردهای مهندسی بیشتر موردتوجه هستند.
دسته دیگر از این مسائل که در دهه‌های اخیر موردتوجه قرارگرفته‌اند، مسائل معکوس حرارتی هستند. در این نوع از مسائل یک یا تعدادی از اطلاعات موردنیاز برای حل مستقیم، دارای مقدار معلومی نمی‌باشند و ما قصد داریم از طریق اندازه‌گیری دما در یک یا چند نقطه از ناحیه موردنظر، به تخمین مقادیر مجهول بپردازیم.
به‌طورکلی می‌توان گفت که در مسائل مستقیم حرارتی، علت(شار حرارتی، هندسه و...) معلوم، و هدف یافتن معلول(میدان دما) است. اما در مسائل معکوس حرارتی، معلول(دما در بخش‌ها و یا تمام میدان)، معلوم است، و هدف یافتن علت (شار حرارتی، هندسه و...) است.
مسائل انتقال حرارت معکوس که IHTP نیز نامیده می‌شوند با استناد بر اندازه‌گیری‌های دما و یا شار حرارتی، کمیت‌های مجهولی را که در آنالیز مسائل فیزیکی در مهندسی گرمایی ظاهر می‌شوند، تخمین می‌زنند. به‌عنوان‌مثال، در مسائل معکوسی که با هدایت حرارت مرتبط می‌باشند، با استفاده از اندازه‌گیری دما در جسم می‌توان شار حرارتی مرز را اندازه‌گیری نمود. این در حالی است که در مسائل هدایت حرارت مستقیم با داشتن شار حرارتی، میدان دمای جسم مشخص می‌شود. یکی از مهم‌ترین مزایای IHTP همکاری بسیار نزدیک میان تحقیقات آزمایشگاهی و تئوری است. به‌عنوان‌مثال در تحقیقات آزمایشگاهی با استفاده از حس‌گر می‌توان دمای جسم را تعیین نمود. این دما به‌عنوان داده‌های ورودی معادلات تئوری برای اندازه‌گیری شار حرارتی مورداستفاده قرار می‌گیرد. درنتیجه جواب‌های به‌دست‌آمده از روابط تئوری تطابق بسیار خوبی با جواب‌های حقیقی خواهند داشت.
هنگام حل IHTP همواره مشکلاتی وجود دارد که باید تشخیص داده شوند. به علت ناپایداری جواب‌های IHTP، این مسائل ازلحاظ ریاضی در گروه مسائل بدخیم دسته‌بندی می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر، به‌واسطه وجود خطاهای اندازه‌گیری در آزمایش‌ها، ممکن است جواب کاملاً متفاوتی به دست آید. برای غلبه بر این مشکلات روش‌هایی پیشنهاد داده‌شده‌اند که حساسیت جواب مسئله به خطای موجود در داده‌های ورودی را کمتر می‌کند. ازجمله این روش‌ها می‌توان به استفاده از دماهای زمانه‌ای بعدی، فیلترهای هموارسازی دیجیتالی اشاره نمود.
در سالهای اخیر تمایل به استفاده از تئوری و کاربرد IHTP رو به افزایش است. IHTP ارتباط بسیار نزدیکی با بسیاری از شاخه‌های علوم و مهندسی دارد. مهندسان مکانیک، هوافضا، شیمی و هسته‌ای، ریاضی‌دانان، متخصصان فیزیک نجومی، فیزیکدانان و آماردانان همگی با کاربردهای متفاوتی که از IHTP در ذهن دارند، به این موضوع علاقه‌مند می‌باشند.
مغز در داخل استخوان جمجمه و نخاع در داخل ستون فقرات جای گرفته است. سه پرده که درمجموع منژ نامیده میشوند، مغز و نخاع را از اطراف محافظت می‌کنند. مغز بیشترین انرژی بدن را مصرف میکند و منطقهی گرمی از بدن است. وزن مغز زن و مرد باهم متفاوت است. خوب است بدانیم که هنگام سکته مغزی فشار داخل جمجمه بالا می‌رود و داخل مغز به‌شدت گرم می‌شود پس باید به‌سرعت از فشار داخل جمجمه کاست تا بیمار دچار آسیب بیشتر نشود. همچنین، تخمین زده می‌شود در مغز انسان حدود یک‌صد میلیارد سلول عصبی یا نرون فعالیت می‌کنند . نرون یا سلول عصبی بر اساس مکانیسم الکتروشیمیایی فعالیت می‌کند ، اختلاف‌پتانسیل ناشی از افزایش و کاهش بار الکتریکی در یک نرون که از منفی 70 میلی ولت تا مثبت 70 میلی ولت در نوسان است باعث رها شدن یا ریلیز مواد مخدر طبیعی یا همان ناقل‌های عصبی از انتهای سلول عصبی یا آکسون می‌شود. فعالیت الکتریکی یک‌صد میلیارد سلول عصبی ، حرارت بسیار زیادی تولید می‌کند.
مغز برای خنک کردن خود نیاز به یک سیستم خنک‌کننده قوی دارد. در مغز انسان حدود 16 هزار کیلومتر رگ و مویرگ خونی وجود دارد. یکی از وظایف اصلی این سیستم علاوه بر تأمین سوخت میلیاردها سلول ،خنک کردن مغز است. به عبارتی حرارت مغز توسط این سیستم جذب می‌شود و با گردش خود درجاهایی مثل پیشانی، صورت و گوش‌ها آزاد می‌شود و خنک می‌شود. مصرف سیگار با افزایش غلظت خون باعث می‌شود تا حرکت خون در این مویرگ‌ها سخت شود و عملیات سوخت‌رسانی و خنک کردن مغز به‌درستی انجام نشود. به عبارتی افراد سیگاری مغزشان داغ‌تر از افراد غیر سیگاری است و سوخت کمتری به مغزشان می‌رسد. ریزش مو و دیرخواب رفتن یکی از نتایج بالا بودن دمای مغز است. اختلال در عملکرد سلول‌های عصبی و به دنبال آن اختلال در آزادسازی ناقل‌های عصبی و کنترل سیستم هورمونی از دیگر نتایج این وضعیت است.
از سوی دیگر، چندی پیش پزشکان برای نجات نوزادی از روش خنک کردن مغز استفاده  کردند که در نوع خودش بی‌نظیر و شگفت‌انگیز بود. نوزاد انگلیسی که هنگام تولد بند ناف به دور گردنش پیچیده شده بود و نفس نمی‌کشید، (اکسیژن کافی به مغزش نمی‌رسید) با فن خنک کردن مغز (به مدت 3روز) به زندگی بازگشت. پزشکان برای کم کردن نیاز مغز این نوزاد به اکسیژن، با استفاده از گاز زنون مغز او را سرد کرند. برای این کار از دستگاه جدیدی استفاده شد. آنان با جای دادن آلتی در مغز نوزاد، سر نوزاد را خنک نگه داشتند.نوزاد که مغزش به مدت 3 روز با این تکنیک خنک نگه‌داشته شد؛ در حال حاضر، در آغوش مادرش به زندگی لبخند میزند.
ممکن است که تقلا برای خوابیدن، بعد از یک روز خسته‌کننده با سرشماری گوسفندان یا خوردن قرصهای خواب هم چندان مؤثر نباشد، اما پژوهشگران دانشکده پزشکی پتینزبورگ در آخرین اجلاس «خواب» سال 2011 روش جالبی را برای درمان بیخوابی پیشنهاد کردند: خنک کردن مغز!
آن‌ها یک کلاه پلاستیکی خنک‌کننده ابداع کردند که قسمت‌های پیشانی را میپوشاند و با پایین آوردن دمای مغز می‌تواند به خواب سریع فرد کمک کند. پزشکان در تحقیقی که روی افراد عادی و بیمارانی که از بیخوابی رنج میبردند انجام دادند، افراد بیخواب بعد از پوشیدن این کلاه خاص، به‌طور میانگین در زمان 13 دقیقه به خواب رفتند، یعنی زمانی برابر افراد  سالم. دانشمندان فکر می‌کنند که این کلاه با پایین آوردن دمای مغز  سبب کاهش سوخت‌وساز آن (به‌ویژه در ناحیه پیشانی مغز) میشود و به خواب سریعتر و راحتتر فرد کمک میکند. هنوز این کلاهها به‌صورت تجاری وارد بازار نشده‌اند. همچنین عوارض احتمالی استفاده از آن‌ها مشخص نشده‌اند؛ مثلاً معلوم نیست که استفاده از این کلاه‌ها سبب تشدید علائم افراد مبتلابه سینوزیت خواهد شد یا نه؟ محققان دانشگاه نیویورک در پژوهش‌های مختلف خود دریافتند، خمیازه کشیدن نقش مهمی در تنظیم درجه حرارت مغز به عهده دارد. درصورتی‌که ناحیه سر «گرم» باشد، خمیازه با تحریک جریان خون و ضربان قلب گرمای بالای آن را کاهش میدهد. چرخه خواب و استرس، تابع نوسان درجه حرارت مغز است و کار خمیازه آن‌که این دمای پیوسته در حال تغییر را تنظیم و متوازن ‌کند. توضیح ساده محققان دانشگاه وین این است که ما با خمیازه کشیدن، دمای اطراف را دست‌کاری می‌کنیم. به تعبیر دیگر، دهن‌دره همانند ترموستات مغز عمل می‌کند. گروه تحقیقاتی دانشگاه وین برای بررسی این فرضیه، تناوب خمیازه کشیدن شهروندان در ماه‌های تابستانی و زمستانی را زیر نظر گرفت. مشابه همین بررسی در هوای خشک و ۳۷ درجه آریزونا انجام شد.
پژوهش‌ها نشان داد که مردم وین در تابستان بیشتر از زمستان خمیازه می‌کشند اما در آمریکا نتیجه کاملاً برعکس بود. علت روشن بود: متوسط دمای وین در تابستان ۲۰ درجه است و این متوسط حرارت زمستانی در آریزونا است. محققان آمریکایی و اتریشی بر این اساس فرضیه‌‌ای را طرح کردند: تعداد خمیازه‌ها به فصل سال یا بلندی و کوتاهی روز یا روشنایی و تاریکی محیط ربط ندارد بلکه موضوع به درجه حرارت ۲۰ درجه برمی‌گردد.
یک افشانه بینی که می‌تواند جان هزاران مبتلابه بیماری قلبی را نجات دهد توسط محققان انگلیسی مورد کار آزمایی قرارگرفته است. یک دستگاه ویژه برای پمپاژ سرد‌کننده پزشکی در بینی بیمار در حال انتقال به بیمارستان مورداستفاده قرار می‌گیرد. کارشناسان بر این باورند که این درمان می‌تواند جان افراد زیادی را نجات داده و از ابتلای تعداد زیادی از بیماران به آسیب‌های مغزی شدید و دائمی جلوگیری کند.
خدمات اورژانس ساحل جنوب شرفی بنیاد بهداشت انگلیس اولین سرویس آمبولانسی است که از این ابداع سوئیسی به‌عنوان بخشی از کار آزمایی پزشکان بیمارستان رویال ساسکس کانتی استفاده می‌کند. ماده سردکننده که توسط یک ماسک صورت منتقل می‌شود، جریان مداومی از مایع در حال تبخیر را به حفره بینی بیمار می‌فرستد. محققان توانسته‌اند پیشرفت‌های بزرگی را در نجات زندگی بیماران قلبی به دست آورند اما بسیاری با آسیب‌های چشمگیری در سلول‌های مغزی روبرو شده و در اثر کمبود اکسیژن ناشی از توقف عملکرد قلب می‌میرند. 
ایده افشانه بینی، خنک‌سازی هر چه سریع‌تر مغز در محل تماس پایه مغز با مدخل بینی است. گفته می‌شود خنک کردن مغز می‌تواند از سلول‌های مغزی در زمان نبود اکسیژن در خون محافظت کند. اگر این درمان زودهنگام ارائه شود، بیمار شانس بهبود بیشتری داشته و این فناوری جدید به پیراپزشکان اجازه خواهد داد پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان عملیات خنک‌سازی را آغاز کنند. در حال حاضر برخی از خدمات اورژانس انگلیس از شیوه‌های مختلف فرآیند خنک‌سازی مانند قطره نمکی سرد و پدهای خنک‌کننده پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان استفاده می‌کنند. اما این روش‌ها به‌طور مستقیم مغز را هدف قرار نداده و به‌جای آن بر خنک‌سازی کل بدن و خون برای دستیابی به تأثیر مشابه تکیه‌دارند.
1-2- تاریخچه:مطالعات آسیب‌شناسی مغزی به‌طور تجربی نشان می‌دهد که سرد کردن مغز پس از یک ایشکمی مغزی میتواند میزان صدمات وارده بر مغز را کاهش دهد. آسیب تراماتیک مغز(TBI) که معمولاً براثر آسیب‌های خارجی در تصادفات و ... اتفاق میافتد و آسیب ایشکمیک مغز که در اثر سکته مغزی ایجاد می‌شود، سبب آسیب‌های فراوانی بر مغز میشود. آزمایش‌ها و بررسی‌های مختلف نشان داده‌اند که کاهش دمای مغز حتی در حد 1 الی 2 درجه سانتی‌گراد فواید بسیاری از قبیل: محافظت در مقابل سکته, کاهش ورم و آماس و کاهش فشار داخلی مغز (ICP) دارد. سادگی و راندمان بالای سرمادرمانی مغز باعث شده است تا پزشکان از آن به‌عنوان یک‌راه حل کلینیکی جهت درمان نوزادانی که از عارضه خفگی (نرسیدن اکسیژن) در زمان تولد رنج می‌برند، استفاده کنند. همچنین سرد کردن فوری مغز درست در دقایق اولیه پس از حمله ایشکمی، امری مهم و ضروری در کاهش پیامدها و صدمات وارده بر مغز و نجات بیمار است. این عمل (سرد کردن فوری مغز) موجب افت متابولیسم مغز شده و درنتیجه نیاز آن را به دریافت اکسیژن و دفع دی‌اکسید کربن و بالطبع خون‌رسانی کاهش میدهد. گزارش‌های منتشرشده نشان دادهاند که کمخونی اثر مخرب کمتری روی مغز بجای خواهد گذاشت. علی‌رغم اینکه هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است که عمل خنک کردن چطور به محافظت از مغز کمک میکند، آزمایش‌های بسیاری نشان دادهاند که کاهش دما در بافت مغز از عملکرد مغز در مقابل آسیب‌های ایشکمیک محافظت می‌کند. همچنین این کار سبب کاهش التهاب و تثبیت فشار داخلی مغز می‌شود[1-3]. همچنین، در اکثر بررسی‌های بیمارستانی که روی گروه‌های کوچک که از TBI رنج میبردند، انجام‌شده است، نتایج این حقیقت که خنک کردن مغز آثار خوبی هم در کوتاهمدت و هم در بلندمدت دارد را تأیید میکند[4-7]. اخیراً یتینگ و همکاران[8] در تحقیق خود گزارش کردند که با خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان به بهبود عملکرد عصبی کمک کرد. آن‌ها در نتایج خود نشان دادند که با استفاده از روش خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان از مغز در مقابل آسیب ایشکمیک محافظت کرد. همچنین نشان دادند که مشکلات مغزی ناشی از آن قابل‌درمان است.
ملاحظات انتقال حرارت مغز در حیات کسانی که در آب‌های سرد غرق میشوند، نیز مؤثر است. به‌طوری‌که در اثر این پدیده بازگشت به زندگی افرادی که در آب‌های سرد غرق‌شده‌اند، حتی تا پس از 66 دقیقه نیز گزارش‌شده است. این مسئله عموماً به خاطر قطع فعالیت متابولیکی مغز و اثرات محافظتی این سردشدگی است. موارد ذکرشده لزوم و اهمیت بررسی انتقال حرارت از مغز را با سیال اطراف نمایان می‌سازند.
اساساً انتقال حرارت در مغز در قالب تبادل حرارت خارجی (انتقال حرارت از سر)، تبادل حرارت داخل و تولید حرارت متابولیکی است. این اثرات با شرایط مرزی، سیرکولاسیون خون، نرخ متابولیسم مغز و ابعاد سر تغییر می‌کنند. بررسی تأثیر عوامل مختلف در پدیده انتقال حرارت از مغز با دشواری روبروست. بخصوص که امکان انجام آزمایش‌های تجربی در این زمینه به دلیل خطرات موجود و محدودیت‌های ابزاری ممکن نیست. لذا این بررسی‌ها نیازمند یک مدل مطمئن با خصوصیات فیزیکی و شرایط محیطی واقعی می‌باشند.
مطالعه و بررسی عکس‌العمل خنک شدن سر در مقابل مکانیسم‌های مختلف خنک کاری، می‌تواند ابزاری در جهت طراحی و ساخت تجهیزات قابل‌حمل جهت خنک کاری‌های اورژانس در وسایل نقلیه پزشکی باشد که با آنها دمای مغز در 30 دقیقه از Cº37 به Cº34 رسیده و لذا متابولیسم آن تا 30% کاهش مییابد. این مطالعات در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع و ایجاد محیط‌های ارگونومیک جهت راحتی افراد نیز می‌تواند موردتوجه قرار گیرد. در یک سری مدل‌سازی‌های کامپیوتری انجام‌شده[9-11] نشان داده است که دمای مغز انسان در نقاط مرکزی و داخلی بسیار متفاوت‌اند از نقاطی که نزدیکی سطح قرار دارند. گرادیان دمای بسیار بزرگی در نزدیکی سطح مغز اتفاق می‌افتد که به‌صورت آزمایشگاهی با افزایش فاصله از سر کاهش مییابد[12,13].
هدف کلی رسیدن به دمای میانگین 33 در مغز در مدت‌زمان 30 دقیقه است[14]. البته باید خاطرنشان کرد که خنک کردن مغز تا دماهای پایین‌تر سبب افزایش ریسک ابتلا به لرزشهای غیرقابل‌کنترل و کاردیاک ارست میشود.
یکی از سؤالهای مهم برای انتخاب روش مناسب برای خنک کردن مغز این است که بفهمیم هر یک از این روشها چطور دمای مغز را کاهش میدهند. ازآنجاکه اندازهگیری نتایج حاصل از خنک کردن مغز در بافت زنده فراتر از فنّاوری حاضر است، ارائه و بهبود مدلهایی که به‌طور دقیق تغییرات دما و همچنین محدودیتها را نشان میدهد، میتواند موفقیت بزرگی باشد.
مسئله مهم دیگر تبادل گرمایی بین پوست سر و محیط اطراف است که به کمک ضریب انتقال حرارت توصیف می‌شود. برای رسیدن هدف که خنک کردن مغز در نقاط مرکزی است، نیاز به استفاده از دستگاهی است که ضریب انتقال حرارت بزرگی ایجاد کند. در حالت ایدئال، دستگاهی با این مشخصات قادر خواهد بود دمای پوست سر را همدما با دمای دستگاه ثابت نگه دارد.
عموماً گزارش‌های انتقال حرارت از مغز تاکنون به دو صورت بوده است. یک دسته از این مطالعات شبیه‌سازی را تنها از جنبه انتقال حرارت در داخل بافت‌ها مدنظر قرار داده و در بهترین حالت انتقال حرارت جابجایی را با ضریب انتقال حرارت جابجایی در مدل خود بکار گرفته‌اند[11,15-17]. دسته دیگر بدون مدل نمودن انتقال حرارت درون بافت، تنها به بررسی الگوی جریان خارج از بدن (به‌صورت تجربی) پرداخته‌اند.
همچنین مدل‌سازی از توزیع دما در سر یک انسان بالغ تحت سرما درمانی با گذاشتن یخ روی سر توسط دنیس و همکارانش[16] صورت گرفته است. گزارش زو و همکارانش[17] نیز شامل مدل‌سازی ریاضی سرد شدن مغز با شرایط مرزی دما ثابت است. سوکستانسکی و همکارش[12] با استفاده از روش تحلیلی اثر عوامل مختلف را بر دمای مغز بررسی کرده و دبی و دمای جریان خون ورودی به بافت را تنها عامل مؤثر بر دمای مغز دانسته‌اند. این مدل‌سازی‌ها با فرض ثابت بودن دمای سطح پوست همراه بوده و در آن‌ها هوای اطراف و جنبه انتقال حرارت جابجایی در سال اطراف سر در نظر گرفته نشده است.
از طرف دیگر، از جنبه خارجی کلارک و همکارانش[18] مطالعه‌ای برای تعیین جابجایی آزاد در اطراف سر را انجام داده و منتشر کرده‌اند که در این تحقیق تأثیر حالت‌های مختلف بدن (خوابیده و ایستاده) بر الگوی جریان هوای اطراف سر به‌صورت تجربی مطالعه شده و ضخامت تقریبی لایه‌مرزی حرارتی و میزان انتقال حرارت در نقاط مختلف سر به کمک سیستم نوری شلیرن و کالریمتر سطحی در آن سالها اندازه‌گیری شده است.
بسیاری از کارهای انجام‌شده در این زمینه اثرات مثبتی برای محافظت از مغز داشته‌اند و توانسته دما را تا 7 درجه سانتی‌گراد در مدت‌زمان 1 ساعت کاهش بدهد، بااین‌حال متدهایی که به کاهش دمای بیشتر کمک می‌کنند تهاجمی هستند که منجر به عوارض بعدی روی بیمار میشود. لازم به ذکر است، در حالت کلی دو روش برای اعمال خنک کاری به‌صورت غیرتهاجمی وجود دارد: خنک کردن سر به کمک دستگاه‌های خنک‌کن و خنک کردن کل بدن.
سرد کردن تمام بدن یک نوزاد تازه متولدشده در ۶ ساعت نخست تولد می‌تواند از آسیب‌های مغزی ناشی از فقدان اکسیژن در جریان زایمان‌های دشوار جلوگیری کند و یا از شدت آن به میزان قابل‌توجهی بکاهد. به گزارش فرانس پرس هزاران کودک سالانه در سطح دنیا متولد شوند که به دلیل برخی مشکلات در بدو تولد مانند نرسیدن اکسیژن به آن‌ها و یا نرسیدن خون به مغزشان در معرض خطر مرگ یا معلولیت قرار می‌گیرند. خنک کردن بدن به‌اندازه چند درجه یعنی اعمال نوعی هایپوترمی خفیف نیاز مغز به اکسیژن را کاهش داده و دیگر پروسه‌هایی را که می‌توانند به آسیب مغزی دچار شوند، کند می‌کند. این شیوه درمان به افراد بالغ نیز در بهبودی پس از تجربه ایست قلبی کمک می‌کند.
در قالب تکنیک هایپوترمی یا همان خنک کردن مغز، نوزاد درون یک پتوی خاص حاوی آب سرد قرار داده می‌شود. این پتو دمای بدن نوزاد را برای مدت ٣ روز تا سطح ٣/٩٢ درجه فارنهایت (۵/٣٣ درجه سانتی‌گراد) پایین آورده و سپس به‌تدریج بدن را دوباره گرم کرده و درجه حرارت را به وضعیت نرمال حدود ۶/٩٨ درجه فارنهایت برمی‌گرداند. این نوزادان ١٨ تا ٢٢ ماه بعد مورد معاینه قرار گرفتند که نتایج یافته‌ها نشان داد مرگ یا معلولیت‌های قابل‌توجه همچون فلج مغزی تنها در ۴۴ درصد نوزادانی که بدنشان خنک شده بود، رخ داد رقمی که در نوزادان تحت درمان‌های معمول به ۶۴ رسید و هیچ‌گونه عوارض جانبی همچون مشکلات در ریتم قلب درنتیجه این شیوه درمان رخ نداد. طبق این یافته‌ها، خنک کردن مغز نوزادان به میزان ٢ تا ۵ درجه سانتی‌گراد می‌تواند احتمال معلولیت و مرگ آن‌ها در اثر کمبود اکسیژن درنتیجه کنده شدن جفت از دیواره رحم پیش از تولد و فشردگی بند ناف را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد.
آزوپاردی و همکاران[19] بررسی روی گروهی از بچهها در سن 6 و 7 سالگی که به‌منظور تعیین اینکه آیا خنک کردن مغز بعد از خفگی حین زایمان یا پس از زایمان در بلندمدت اثری دارد یا خیر، انجام دادند. نتایج اولیه آنها نشانگر این بود که اثرات خوبی در افراد با IQ بالاتر از 85 دیده میشد.
ژو و همکاران[20] اثربخشی و امنیت خنک کردن ملایم سر را در انسفالوپاتی هیپوکسیک-ایشکمیک در نوزادان تازه متولدشده موردبررسی قراردادند. در تحقیق آنها نوزادان مبتلابه HIE به‌صورت تصادفی انتخاب‌شده بودند.عمل خنک کردن از 6 ساعت بعد از تولد، درحالی‌که دما در قسمت حلق و بینی حدود Cº 34 و در قسمت تحتانی حدود Cº 4.5 بود، شروع شد و 72 ساعت طول کشید. متأسفانه نتایج اولیه منجر به مرگ و ناتوانیهای شدید شده بود. ویلرم و همکارانش[15] با مدل‌سازی سرد کردن مغز نوزاد به این نتیجه رسیدند که با قرار دادن سر در محیط با دمای پایین (10 درجه سانتی‌گراد) تنها مناطق سطحی مغز تا حدود Cº33-34 سرد می‌شود و تغییر دمای محسوسی در مناطق عمقی آن به وجود نخواهد آمد.
دنیس و همکاران[16] هندسه واقعی سر انسان را در نظر گرفتند و خنک کردن سر و گردن انسان را با روش المان محدود موردبررسی قراردادند. آنها در کار خود همزمان علاوه بر استفاده از یک کلاهک خنک‌کن، پکهایی از یخ روی سر و گردن قراردادند. بر اساس نتایجشان، وسیلهی دیگری نیز برای خنک کاری موردنیاز است که دمای قسمتهای مرتبط دیگر نیز کاهش یابد و درنتیجه به هدف موردنظر که در قبل ذکرشده بود، برسند. مسئله را در چهار حالت مختلف که موقعیت مکانی خنک کاری متفاوت بوده بررسی کرده‌اند، که متأسفانه به دمای 33 درجه سانتی‌گراد در مدت 30 دقیقه نرسیده‌اند.
گلوکمن و همکاران[21] از یک کلاه خنک‌کن روی سر استفاده کردند و دمای قسمت تحتانی بدن را نیز در 34-35 ثابت نگه داشتند. نتایج آنها نشان می‌دهد بااینکه این کار اثر قابل قبولی روی نوزادانی که موردبررسی قرارگرفته بودند، نداشته است. اما در کل به زنده ماندن بیماران بدون اثرات شدید عصبی کمک میکند.
اسپوزیتو و همکاران[22] در تحقیق خود، محدودیتها و اثرات جانبی روشهای کنونی خنککاری مغز را بررسی کردهاند. همچنین در مورد مزایا و معایب تزریق مایع خنک در رگهای خونی بحث کرده‌اند. همچنین پلی و همکاران[23] ارتباط بین دمای مغز و خنک کردن سطح سر و گردن را موردتحقیق قراردادند و در کار دیگر، ناکامورا و همکاران[24] تأثیر خنک کاری سر و گردن را بر دمای کلی بدن بررسی کردهاند.
ازآنجاکه در هیچ‌یک از بررسیهای انجام‌شده به دمای ۳۳ درجه در مدت‌زمان ۳۰ دقیقه که مطلوب پزشکان است، نرسیده‌اند برای اولین بار با استفاده از روش انتقال حرارت معکوس شار حرارتی و شرایط مرزی مناسب مدنظر است. در این روش با معلوم بودن جواب هدف که کاهش دما تا ۳۳ درجه و زمان ۳۰ دقیقه است، بهترین شرایط برای رسیدن به آن محاسبه می‌شوند. همچنین معادلات موردنظر معادلات انتقال حرارت در بافت زنده پنز که غیر فوریه‌ای بوده می‌باشند. هندسه مغز به‌صورت یک نیمکره در نظر گرفته‌شده است. مسئله با استفاده از روش مختصات عمومی و در حالت متقارن محوری حل‌شده است. علت استفاده از این روش این است که قادر به اعمال روی هر هندسه پیچیده دیگر خواهد بود که در کارهای آینده قطعاً موردنیاز خواهد بود. در این روش، صفحه فیزیکی نامنظم مسئله به صفحه محاسباتی مستطیل شکل تبدیل می‌شود.
فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع
در این فصل به معرفی و بررسی روش‌هایی که برای بهینه‌سازی توابع استفاده می‌شوند، می‌پردازیم. ابتدا به تعریف مسئله بهینه‌سازی پرداخته و در ادامه مفاهیم مربوط به روند انجام فرایند بهینه‌سازی در یک مسئله معرفی می‌شوند. انواع روش‌های مستقیم و غیرمستقیم بهینه‌سازی معرفی می‌شوند. ازآنجاکه در این پایان‌نامه از روش غیرمستقیم برای بهینه‌سازی استفاده کرده‌ایم، بنابراین بیشتر به این روش‌ها پرداخته‌ایم. در تمامی این روش‌ها محاسبه گرادیان تابع الزامی است، بنابراین بررسی خواص و نحوه محاسبه آن آورده شده است. در ادامه شرح مختصری از انواع روش‌های غیرمستقیم به همراه الگوریتم محاسباتی آن‌ها آورده شده است.
2-1 مسائل بهینه‌سازییک مسئله بهینه‌سازی می‌تواند به‌صورت زیر بیان شود:
تعیین بردار به‌گونه‌ای که تابع تحت شرایط زیر مینیمم شود.
(2-1)
که در آن یک بردار n بعدی به نام بردار طراحی، تابع هدف و و به ترتیب قیدهای برابری و نابرابری نامیده می‌شوند. در حالت کلی تعداد متغیرها و تعداد قیود یا رابطه‌ای باهم ندارند. مسئله فوق یک مسئله بهینه‌سازی مقید نامیده می‌شود. در مسائلی که قیودی وجود ندارند با یک مسئله بهینه‌سازی نامقید روبرو هستیم.
نقطه را مینیمم یا نقطه سکون تابع هدف مینامیم اگر داشته باشیم:
(2-2)
شرط بالا یک شرط لازم است درصورتی‌که ماتریس هسین معین مثبت باشد آنگاه حتماً نقطه مینیمم نسبی خواهد بود. یعنی اگر داشته باشیم:
(2-3)
البته شرط بالا در صورتی صادق است که تابع مشتق‌پذیر باشد.
2-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازیروش‌های حل مسائل مینیمم سازی به دودسته روش‌های جستجوی مستقیم و روش‌های کاهشی تقسیم‌بندی می‌شوند.
برای استفاده از روش‌های جستجوی مستقیم در محاسبه نقطه مینیمم، تنها به مقدار تابع هدف نیاز است و نیازی به مشتقات جزئی تابع نیست. بنابراین اغلب، روش‌های غیرگرادیانی یا روش‌های مرتبه صفر نامیده می‌شوند زیرا از مشتقات مرتبه صفر تابع استفاده می‌کنند. این روش‌ها بیشتر برای مسائلی کاربرد دارند که تعداد متغیرها کم و یا محاسبه مشتقات تابع مشکل می‌باشند و به‌طورکلی کارایی کمتری نسبت به روش‌های کاهشی دارند.
روش‌های کاهشی علاوه بر مقدار تابع به مشتقات اول و در برخی موارد به مشتقات مرتبه دوم تابع هدف نیز نیاز دارند. ازآنجاکه در روش‌های کاهشی، اطلاعات بیشتری از تابع هدفی که (از طریق مشتقات آن) مینیمم می‌شود، مورداستفاده قرار می‌گیرد، این روش‌ها کارایی بیشتری نسبت به روش‌های جستجوی مستقیم دارند.
روش‌های کاهشی همچنین روش‌های گرادیانی نیز نامیده می‌شوند. دراین‌بین روش‌هایی که فقط به مشتق اول تابع هدف نیاز دارند، روش‌های مرتبه اول و آن‌هایی که به مشتق اول و دوم هر دو نیاز دارند، روش‌های مرتبه دوم نامیده می‌شوند. در جدول(2-1) روش‌هایی از هر دودسته آمده است.
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی
روش‌های کاهشی روش‌های جستجوی مستقیم
بیشترین کاهش
گرادیان مزدوج
روش نیوتن
روش لونبرگ- مارکورات
میزان متغیر روش جستجوی تصادفی
جستجوی شبکه
روش تک متغیر
جستجوی الگو
2-3 راه‌حل کلیتمام روش‌های مینیمم سازی نامقید اساساً تکراری هستند و ازاین‌رو از یک حدس اولیه شروع می‌کنند و به شکل ترتیبی به سمت نقطه مینیمم پیش می‌روند. طرح کلی این روش‌ها در شکل2-1 نشان داده‌شده است.
باید توجه شود تمام روش‌های مینیمم سازی نامقید:
1. نیاز به نقطه اولیه برای شروع تکرار دارند.
2. با یکدیگر تنها در نحوه تولید نقطه بعدی از تفاوت دارند.
-76200-5219700با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید
00با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید

شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف
2-4 نرخ هم‌گرائیروش‌های مختلف بهینه‌سازی، نرخ همگرایی مختلف دارند. به‌طورکلی یک روش، همگرایی از مرتبه دارد اگر داشته باشیم:
(2-4)
که و نقاط محاسبه‌شده در پایان تکرارهای و هستند. نقطه بهینه و نشان‌دهنده طول یا نرم بردار است که از رابطه زیر به دست میآید:
(2-5)
اگر و باشد، روش همگرای خطی (متناظر باهمگرایی آهسته) و اگر باشد، روش همگرای مرتبه دوم (متناظر باهمگرایی سریع) نامیده می‌شود. یک روش بهینه‌سازی، همگرای فوق خطی است اگر:
(2-6)
تعریف دیگری برای روش همگرایی مرتبه دوم وجود دارد: اگر یک روش مینیمم سازی با استفاده از روند دقیق ریاضی بتواند نقطه مینیمم یک تابع درجه دوم متغیره را در تکرار پیدا کند. روش همگرای مرتبه دوم نامیده می‌شود.
2-5 گرادیان تابع
گرادیان تابع، یک بردار n مؤلفه ایست که با رابطه زیر داده می‌شود:
(2-7)
اگر از یک نقطه در فضای n بعدی در راستای گرادیان حرکت کنیم، مقدار تابع با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد. بنابراین جهت گرادیان، جهت بیشترین افزایش نیز نامیده می‌شود.
4768851778003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y
003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y

شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش
اما جهت بیشترین افزایش یک خاصیت محلی است و نه سراسری. این مطلب در شکل2-2 نشان داده‌شده است. در این شکل، بردار گرادیان محاسبه‌شده در نقاط 1، 2 ، 3، 4 به ترتیب در جهت‌های ٰ11 ، ٰ22 ، ٰ33، ٰ44 قرار دارد. بنابراین در نقطه 1 مقدار تابع در جهت ٰ11 با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد و به همین ترتیب اگر به تعداد بی‌نهایت مسیر کوچک در جهت‌های سریع‌ترین افزایش حرکت کنیم، مسیر حرکت یک منحنی شبیه به منحنی 4-3-2-1 خواهد بود.
ازآنجاکه بردار گرادیان جهت بیشترین افزایش مقدار تابع را نشان می‌دهد، منفی بردار گرادیان جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین انتظار داریم روش‌هایی که از بردار گرادیان برای بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم برسند. بنابراین دو قضیه زیر را بدون اثبات می‌آوریم.
1.بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد.
2. بیشترین نرخ تغییر تابع در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است.
2-5-1 محاسبه گرادیانمحاسبه گرادیان نیاز به محاسبه مشتقات جزئی دارد. سه حالت وجود دارد که محاسبه گرادیان را مشکل می‌کند:
1. تابع در تمامی نقاط مشتق‌پذیر است، اما محاسبه مؤلفه‌های بردار گرادیان غیرعملی است.
2. رابطه‌ای برای مشتقات جزئی می‌توان به دست آورد، اما محاسبه آن نیازمند زمان محاسباتی زیادی است.
3. گرادیان تابع در تمامی نقاط تعریف‌نشده باشد.
در مورد اول می‌توان از فرمول تفاضل محدود پیشرو برای تخمین مشتق جزئی استفاده کرد:
(2-8)
برای یافتن نتیجه بهتر می‌توان از فرمول اختلاف مرکزی محدود زیر استفاده کرد:
(2-9)
در روابط بالا یک کمیت اسکالر کوچک و برداری n بعدی است که مؤلفه ام آن یک، و مابقی صفر هستند. در محاسبات، مقدار را می‌بایست با دقت انتخاب نمود، زیرا کوچک بودن بیش‌ازحد آن ممکن است اختلاف میان مقادیر محاسبه‌شده تابع در و را بسیار کوچک کرده، و موجب افزایش خطای گرد کردن شود و نتایج را با خطا همراه سازد. به همین ترتیب بزرگ بودن بیش‌ازاندازه نیز خطای برشی را در محاسبه گرادیان ایجاد می‌کند. در حالت دوم استفاده از فرمول‌های تفاضل محدود پیشنهاد میشود. برای حالت سوم با توجه به این نکته که گرادیان در تمام نقاط تعریف‌شده نیست، نمی‌توان از فرمول‌های تفاضل محدود استفاده کرد. بنابراین در این موارد مینیمم کردن فقط با استفاده از روش‌های مستقیم امکان‌پذیر است.
2-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابعدر بیشتر روش‌های بهینه‌سازی، نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص را تعیین نمود. بنابراین لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند ، درراستای مشخصی مانند ، نسبت به پارامتری چون محاسبه شود. باید در نظر داشت که موقعیت هر نقطه در این راستا را می‌توان با توجه به نقطه ، به‌صورت نشان داد. بنابراین نرخ تغییر تابع نسبت به این متغیر در راستای را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد:
(2-10)
که در رابطه فوق مؤلفه -ام است. از طرفی داریم:
(2-11)
که و مؤلفه‌های -ام و هستند. بنابراین نرخ تغییر تابع در راستای برابر است با:
(2-12)
درصورتی‌که تابع را در راستای مینیمم کند، در نقطه می‌توان نوشت:
(2-13)
بنابراین مینیمم تابع، در راستای ، در نقطه می‌باشد.
2-6 معیار هم‌گرائیمعیارهای زیر می‌توانند برای بررسی هم‌گرائی در محاسبات تکراری به کار روند:
درصورتی‌که تغییرات تابع در دو تکرار متوالی از مقدار معینی کوچک‌تر شود:
(2-14)
زمانی که مشتقات جزئی (گرادیان مؤلفه‌ها) به‌اندازه کافی کوچک شود:
(2-15)
زمانی که تغییرات بردار موردنظر در دو تکرار متوالی کوچک شود:
(2-16)
که ، و مقادیر معین کوچکی در نظر گرفته می‌شوند.
2-7 روش کاهش سریعاستفاده از قرینه بردار گرادیان به‌عنوان جهت مینیمم سازی اولین بار توسط کوشی انجام گرفت. در این روش محاسبات از نقطه‌ای مانند شروع‌شده و طی فرآیندهای تکراری با حرکت در جهت سریع‌ترین نرخ کاهش، نهایتاً به نقطه مینیمم می‌رسد. مراحل مختلف این روش را می‌توان به‌صورت زیر در نظر گرفت:
1. شروع محاسبات از یک نقطه دلخواه به‌عنوان اولین تکرار
2. یافتن جهت به‌صورت
3. محاسبه طول گام بهینه در جهت و قرار دادن و یا .
4.بررسی بهینه بودن نقطه و پایان محاسبات در صورت مینیمم بودن این نقطه، در غیر این صورت قرار دادن و ادامه محاسبات از مرحله 2.
2-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس2-8-1 مقدمه
با ظهور مواد مخلوط مدرن و وابستگی شدید خواص ترموفیزیکی آن‌ها به دما و مکان، روش‌های معمولی برای محاسبه آن‌ها راضی‌کننده نیستند. همچنین انتظارات عملیاتی صنعتی مدرن هر چه بیشتر و بیشتر پیچیده شده‌اند و یک محاسبه دقیق در محل از خواص ترموفیزیکی تحت شرایط واقعی عملیات ضرورت پیدا کرد. شیوه انتقال حرارت معکوس(IHTP) می‌تواند جواب‌های رضایت بخشی برای این‌گونه حالات و مسائل به دست دهد.
سود عمده IHTP این است که شرایط آزمایش را تا حد امکان به شرایط واقعی نزدیک می‌سازد.
کاربرد عمده تکنیک IHTP شامل محدوده‌های خاص زیر می‌باشند (در میان سایرین)
محاسبه خواص ترموفیزیکی مواد به‌عنوان‌مثال؛ خواص ماده سپر حرارتی در طی ورودش به اتمسفر زمین و برآورد وابستگی دمایی ضریب هدایت قالب سرد در طی باز پخت استیل
برآورد خواص تشعشعی بالک و شرایط مرزی در جذب، نشر و بازپخش مواد نیمه‌رسانا
کنترل حرکت سطح مشترک جامد - مایع در طی جامدسازی
برآورد شرایط ورود و شار حرارتی مرزی در جابجایی اجباری درون کانال‌ها
برآورد همرفت سطح مشترک بین سطوح متناوباً در تماس
نظارت خواص تشعشعی سطوح بازتاب‌کننده گرم‌کننده‌ها و پنلهای برودتی
برآورد وابستگی دمایی ناشناخته ضریب هدایت سطوح مشترک بین ذوب و انجماد فلزات در طی ریخته‌گری
برآورد توابع واکنشی
کنترل و بهینه‌سازی عملیات پروراندن لاستیک
برآورد شکل مرزی اجسام
برآورد این‌گونه خواص از طریق تکنیک‌های رایج کاری به‌شدت دشوار یا حتی غیرممکن است. اگرچه با اعمال آنالیز انتقال حرارت معکوس، این‌گونه مسائل نه‌تنها می‌توانند حل شوند، بلکه ارزش اطلاعات مطالعات افزوده‌شده و کارهای تجربی سرعت می‌گیرند.
2-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوسبرای تشریح مشکلات اصلی حل مسائل انتقال حرارت معکوس، جامد نیمه بینهایت () در دمای اولیه صفر در نظر می‌گیریم. برای زمان‌های سطح مرزی در تحت یک شار گرمایی متناوب به فرم قرارگرفته است. جایی که و ω به ترتیب دامنه و فرکانس نوسان شار گرمایی هستند و t متغیر زمان است. بعد از گذشت حالت متغیر، توزیع دمایی شبه - ثابت در جامد با توزیع دمایی زیر به دست می‌آید:
(2-17)
جایی که پخشندگی حرارتی و k ضریب رسانایی حرارتی جامد هستند.
معادله بالا نشان می‌دهد که پاسخ دمایی دارای یک تأخیر فاز نسبت به شار اعمالی سطحی می‌باشد و این تأخیر برای مکان‌های عمیق‌تر درون جسم واضح‌تر می‌باشد. درصورتی‌که این شار بتواند برآورد شود، این تأخیر دمایی نیاز به برداشت اطلاعات پس از اعمال شار حرارتی را آشکار می‌کند.
دامنه نوسان دما در هر مکانی، ، با قرار دادن در معادله به دست می‌آید. لذا:
(2-18)
این معادله نشان می‌دهد که به‌صورت توانی با افزایش عمق و با افزایش فرکانس تغییر می‌کند.
اگر دامنه شار حرارتی سطحی (q) به‌وسیله بکار بردن اندازه‌گیری مستقیم دما در نقاط داخلی اندازه‌گیری گردد آنگاه هرگونه خطای اندازه‌گیری با عمق x و فرکانس ω به‌صورت توانی بزرگنمایی می‌شود، که به‌صورت معادله زیر نشان داده می‌شود:
(2-19)
برای تخمین شار حرارتی مرزی جانمایی یک حس‌گر در عمق x از سطح، جایی که دامنه نوسانات دما بسیار بزرگ‌تر از خطاهای اندازه‌گیری‌اند، ضروری می‌باشد. در غیر اینصوررت تشخیص اینکه نوسانات دمایی در اثر شار حرارتی یا خطای اندازه‌گیری بوده غیرممکن خواهد بود، که منجر به عدم یگانگی جواب معادله خواهد شد.
ازآنجاکه خطاها در دقت روش‌های معکوس بسیار مؤثرند، بک ([26-28]) توصیفات این‌گونه خطاها را به‌صورت 8 نکته بیان نموده است.
خطاها به مقدار اصلی اضافه می‌شوند که مقدار اندازه‌گیری شده، مقدار واقعی و یک خطای رندوم می‌باشد.
خطای دمایی دارای میانگین صفر می‌باشد. یعنی . جایی که یک عملگر اندازه است، آنگاه گفته می‌شود که خطا بدون پیش مقدار است.
خطا دارای انحراف ثابت است، که عبارت است از
(2-20)
که به معنای استقلال انحراف از اندازه‌گیری است.
خطاهای مرتبط با اندازه‌گیری‌های مختلف ناهمبسته هستند. دو خطای اندازه‌گیری و (که ) ناهمبسته هستند اگر کوواریانس و صفر باشد. یعنی
(2-21)
در این حالت خطاهای و هیچ تأثیری یا رابطه‌ای بر هم ندارند.
خطاهای اندازه‌گیری دارای یک توزیع نرمال (گوسی) است. با توجه به فرضیات 2، 3 و 4 بالا توزیع احتمال به‌وسیله معادله زیر داده می‌شود
(2-22)
پارامترهای معرفی کننده خطا مثل معلوم هستند.
تنها متغیری که دارای خطاهای رندوم می‌باشد دمای اندازه‌گیری شده است. پارامترهای اندازه‌گیری شده مکان‌های اندازه‌گیری شده، ابعاد جسم گرم شونده و تمامی کمیت‌هایی که در فرمول نویسی ظاهرشده‌اند به‌دقت مشخص هستند.
اطلاعات پیشین کمیت‌ها جهت تخمین موجود نیست (می‌تواند پارامتر یا تابع باشند) اگر این اطلاعات موجود می‌بود می‌توانست جهت بهبود تخمین مقادیر بکار رود.
در ادامه چندین تکنیک مختلف برای حل مسائل IHTP را معرفی می‌نماییم. این‌گونه تکنیک‌ها معمولاً نیازمند حل مستقیم مربوطه می‌باشد. البته ارائه روش‌هایی که مسائل معکوس را بدون ارتباط با مسائل مستقیم حل کنند بسیار دشوار است.
تکنیک‌های حل مسائل می‌توانند به‌صورت زیر طبقه‌بندی شوند:
روش‌های معادلات انتگرالی
روش‌های تبدیل انتگرال
روش‌های حل سری
روش‌های چندجمله‌ای
بزرگنمایی معادلات هدایت گرمایی
روش‌های عددی مثل تفاضل محدود، المان محدود و المان مرزی
تکنیک‌های فضایی با اعمال فیلترینگ نویز اضافی مثل روش نرم کردن
تکنیک فیلترینگ تکرارشونده [29]
تکنیک حالت پایدار
روش تابع مشخصه متوالی بک
روش لوبنرگ - مارگارت برای مینیمم کردن نرم کوچک‌ترین مربعات
روش منظم سازی تیخونوف
روش منظم سازی تکراری برآورد توابع و پارامترها
الگوریتم ژنتیک [30]
2-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتیاگر مسائل معکوس شامل تعداد زیادی پارامتر مانند برآورد شار حرارتی گذرا در زمان‌های مختلف باشند، ممکن است نوساناتی در حل رخ دهد. یک روش برای کاهش این ناپایداری‌ها استفاده از منظم سازی تیخونوف می‌باشد.
2-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوسهدف اصلی این بخش معرفی تکنیک‌هایی جهت حل مسائل انتقال حرارت معکوس و روابط ریاضی موردنیاز می‌باشد.
گر چه تکنیک‌های زیادی موجود هستند، اما در اینجا به ذکر 4 تکنیک قدرتمند بسنده می‌کنیم.
لونبرگ - مارکوت برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین توابع
این روش‌ها معمولاً کافی، تطبیق‌پذیر، مستقیم و قدرتمند جهت غلبه بر مشکلات موجود در حل معادلات انتقال حرارت معکوس می‌باشند.
تکنیک I: این تکنیک یک روش تکراری برای حل مسائل کوچک‌ترین مربعات تخمین پارامترهاست. این روش اولین بار در سال 1966 توسط لونبرگ [31] ایجاد شد، سپس در سال 1963 مارکوارت [32] همان تکنیک را با استفاده از روشی دیگر به دست آورد. حل مسائل معکوس به این روش، نیازمند محاسبه ماتریس حساسیت J می‌باشد. ماتریس حساسیت به‌صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2-23)
جایی که:

تعداد اندازه‌گیری I =
تعداد پارامترهای نامعلوم N =
دمای iام تخمین زده‌شده
پارامتر jام نامعلوم
این ضریب حساسیت نقش مهمی را در تکنیک‌های I تا III ایفا می‌کند و در ادامه روش‌های متفاوت حل بیان خواهد شد.
این روش برای حل معادلات خطی و غیرخطی بسیار مؤثر است. گر چه در مسائل غیرخطی با افزایش پارامترهای نامعلوم ممکن است حل ماتریس حساسیت به درازا بکشد.
تکنیک II روش گرادیان مزدوج در بهینه‌سازی را جهت تخمین پارامترها بکار می‌برد، که همانند تکنیک I نیازمند حل ماتریس حساسیت بوده که مخصوصاً در حالت غیرخطی وقتی تعداد پارامترها زیاد شوند کاری زمان‌بر است.
تکنیک‌های III و IV: روش گرادیان مزدوج در کوچک‌سازی را با مسئله اضافی بکار می‌برد[33-36]
روش III مخصوصاً برای مسائلی که جهت تخمین ضریب آزمایشی در تخمین توابع بکار برده می‌شوند مناسب است. مسئله اضافی در جهت کاهش نیاز به حل ماتریس حساسیت استفاده می‌شود.
تکنیک IV روشی برای تخمین توابع می‌باشد مخصوصاً وقتی‌که اطلاعات مقیاسی درباره فرم تابع کمیت نامعلوم در دسترس نباشد.
تکنیک‌های اول، سوم و چهارم به همراه شرط توقف مناسب جهت تکرارهایشان؛ جزء دسته تکنیک‌های خطی سازی تکراری هستند.
در ادامه به بررسی و معرفی گام‌های اولیه و الگوریتم حل این روش‌ها با استفاده از روش تمام دامنه می‌پردازیم.
2-8-5 تکنیک I2-8-5-1 شرح تکنیک
این روش برای حل مسائل غیرخطی ابداع شد گر چه می‌توان آن را در مسائل خطی بسیار ناهنجار که از طریق مرسوم قابل‌حل نمی‌باشند نیز اعمال کرد. گام‌های اصلی روش به‌صورت زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
حل الگوریتم
این روش یک متد کاهشی شدید می‌باشد. در حل مسئله مستقیم، هدف یافتن دمای گذرا می‌باشد. در حل مسئله غیرمستقیم، هدف یافتن پارامتر نامعلوم با استفاده از دمای گذرای اندازه‌گیری شده در نقاط مختلف می‌باشد.
ماتریس حساسیت یا ماتریس ژاکوبین به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
(2-24)
N: تعداد کل پارامترهای نامعلوم
I: تعداد کل اندازه‌گیری
المان‌های ماتریس حساسیت ضریب حساسیت نامیده شده و با نشان داده می‌شود. برای معادلات خطی این ماتریس تابع پارامترهای مجهول نیست اما در حالت غیرخطی ماتریس دارای پارامتری وابسته به p (مجهول) می‌باشد.
ذکر این نکته ضروری است که ماتریس که شرط شناسایی نامیده می‌شود نبایستی برابر صفر باشد زیرا اگر این مقدار برابر صفر با حتی مقداری بسیار کوچک باشد، پارامتر مجهول را نمی‌توان از پروسه معادلات تکراری به دست آورد.
مسائلی که شرط شناسایی تقریباً صفر داشته باشند مسائل ناهنجار نامیده می‌شوند. مسائل انتقال حرارت معکوس عموماً از این دسته‌اند؛ مخصوصاً در نزدیکی حدس اولیه‌ای که برای پارامترهای نامعلوم بکار می‌بریم.
ضریب حساسیت ، میدان حساسیت دمای اندازه‌گیری شده با توجه به تغییرات پارامتر مجهول p می‌باشد. میزان اندک نشان‌دهنده این است که تغییرات زیاد باعث تغییرات اندکی در می‌شوند به‌آسانی قابل‌فهم است که در این‌گونه موارد تخمین کاری دشوار می‌باشد زیرا عملاً هر مقدار گستره بزرگی از ها را در برمی‌گیرد. در حقیقت وقتی ضریب حساسیت کوچک استJTJ≃0 بوده و مسئله ما ناهنجار می‌باشد. به همین علت داشتن ضرایب حساسیت غیر وابسته خطی با اندازه بزرگ مطلوب می‌باشد، تا مسئله معکوس به خطاهای اندازه‌گیری حساس نبوده و پارامترها به‌صورت دقیق تخمین زده شوند. لازم است که تغییرات ضریب حساسیت قبل از حل مسئله آزمایش شود. این‌گونه آزمایش‌ها بهترین مکان حس‌گر و زمان اندازه‌گیری در طی حل را به دست می‌دهد.
لونبرگ - مارکارت برای کاستن از این وابستگی، از دو پارامتر (عامل استهلاک) و (ماتریس قطری) استفاده کردند. هدف از اعمال ترم کاهش نوسانات و ناپایداری‌ها در طی شرایط ناهنجار؛ از طریق بزرگ کردن مؤلفه‌هایش در مقایسه با در شرایط موردنیاز، می‌باشد.
عامل استهلاک در ابتدای پروسه تکرار بزرگ در نظر گرفته می‌شود تا در ناحیه اطراف حدس اولیه بکار رود. با کمک این روش دیگر لازم نیست ماتریس در ابتدای پروسه نامساوی صفر باشد. چون در ابتدا ضریب بزرگ است. روش لونبرگ یک به سمت متد کاهشی شدید گرایش دارد، اما با ادامه پروسه تکرار و کوچک‌تر شدن ضریب در طی این پروسه، روش به سمت روش گوس گرایش پیدا می‌کند. شرط توقف پیشنهادی توسط دنیس و شنابل کوچک بودن فرم کوچک‌ترین مربعات، گرادیان تابع مجهول و همگرایی پارامترها را چک می‌کند.
الگوریتم محاسباتی لونبرگ - مارکارت را می‌توان در موارد استفاده از چندین حس‌گر ارتقا بخشید.
2-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت
روش‌های متعددی جهت محاسبه ضرایب حساسیت موجود است که در ادامه سه نمونه از آن‌ها ذکرشده است.
تحلیل مستقیم
مسائل مقدار مرزی
تقریب تفاضل محدود
روش تحلیل مستقیم: اگر مسئله مستقیم هدایت خطی بوده و حل تحلیل برای حوزه دمایی موجود باشد، ضریب حساسیت با تفاضل گیری جواب در جهت (پارامتر نامعلوم) به دست می‌آید.
اگر غیر وابسته به باشد، آنگاه مسئله معکوس جهت محاسبه خطی خواهد بود.
در مسائلی که چندین درجه بزرگی موجود باشد، ضریب حساسیت نسبت به هرکدام از پارامترها باید چندین مرتبه بزرگ‌تر باشد که این موضوع خود باعث ایجاد مشکلات و سختی‌هایی در مقایسه و شناسایی وابستگی خطی بودن شود. این سختی‌ها را می‌توان با آنالیز ابعادی ضرایب حساسیت یا با استفاده از فرمول زیر کاهش داد:
(2-25)
با توجه به اینکه ضریب حساسیت ذکرشده در بالا هم واحد با درجه حرارت است، مقایسه مرتبه بزرگی آن راحت‌تر است.
مسائل مقدار مرزی: یک مسئله مقدار مرزی می‌تواند با تفاضل گیری از مسئله مستقیم اصلی نسبت به ضرایب مجهول جهت به دست آوردن ضرایب حساسیت بکار رود. اگر مسئله هدایت مستقیم خطی باشد، ساختار مسئله حساسیت مربوطه ساده و مستقیم است. در حالت‌های پیشرفته حل ضرایب حساسیت می‌تواند بسیار زمان‌بر باشد و بایستی از روش‌های عددی مثل تفاضل محدود بهره گرفت.
تقریب تفاضل محدود: می‌توان تفاضل اول ظاهرشده در تعریف را از طریق تفاضل پیشرو یا تفاضل مرکزی حل کرد اما برای حل به این روش لازم است N مجهول اضافی در حالت اول و N2 مجهول اضافی در حالت دوم محاسبه شود که خود بسیار زمان‌بر خواهد بود.
2-8-6 تکنیک II 2-8-6-1 متد گرادیان مزدوجروش گرادیان مزدوج روش تکرار مستقیم و قدرتمندی درزمینه حل مسائل خطی و غیرخطی معکوس می‌باشد. در پروسه تکرار، در هر تکرار یک گام مناسب در جهت ترولی انتخاب می‌شود تا تابع موردنظر را کاهش دهد.
جهت نزولی از ترکیب خطی جهت منفی گرادیان در گام تکرار حاضر با جهت نزولی تکرار پیشین به دست می‌آید. این ترکیب خطی به‌گونه‌ای است که زاویه جهت نزولی و جهت منفی گرادیان کمتر از ۹۰° باشد تا مینیمم شدن تابع موردنظر حتمی گردد[34,37-39]. روش گرادیان مزدوج با شرط توقف مناسب به‌دست‌آمده از تکنیک تنظیم تکرارها، که در آن مقدار تکرارها به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که جواب پایدار به دست دهد، در حل مسائل معکوس بکار می‌رود.
الگوریتم روش به‌صورت گام‌های زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
در ادامه به بررسی گام‌های فوق پرداخته خواهد شد.
در حل مسئله معکوس شار حرارتی مجهول را به‌صورت تابعی خطی به فرم زیر در نظر می‌گیریم:
(2-26)
که در آن تابع تست معلوم و پارامترهای مجهول می‌باشند.
بدین ترتیب تخمین تابع مجهول به تخمین پارامترهای مجهول ، تقلیل می‌یابد. این‌گونه پارامترها را می‌توان با روش تفاضل مربعات مجهولی حل کرد.
(2-27)
S: مجموع مربعات خطاها یا تابع موردنظر
p: بردار پارامترهای مجهول
: دمای تخمین زده‌شده در زمان
: دمای اندازه‌گیری شده در زمان
: تعداد کل پارامترهای مجهول
I: تعداد کل اندازه‌گیری‌ها، به‌طوری‌که
ذکر دو نکته در اینجا ضروری می‌نماید:
بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد، لذا قرینه بردار جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین روش‌هایی که از بردار گرادیان جهت بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم می‌رسند.
بیشترین نرخ تغییر تابع f در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است. در بیشتر روش‌های بهینه‌سازی نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص تعیین گردد. یعنی لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند در راستای مشخصی مانند نسبت به پارامتری چون محاسبه شود.
لذا اگر نرخ تغییر تابع در راستای برابر باشد با
(2-28)
و درصورتی‌که تابع f را در جهت مینمم کند؛ مینمم تابع در نقطه خواهد بود زیرا
(2-29)
پروسه تکرار در روش گرادیان مزدوج جهت کمینه‌سازی نرم داده‌شده به‌صورت زیر می‌باشد
(2-30)
جایی که جستجوگر سایز گام، جهت نزول و بالانویس k نمایانگر تعداد تکرار است.
جهت نزولی به‌صورت پیوستگی جهت گرادیان و و جهت نزولی تکرار قبلی می‌باشد که فرم ریاضی آن به‌صورت زیر است:
(2-31)
تعاریف گوناگونی برای ضریب همبستگی موجود است. به‌عنوان‌مثال بسط پولاک - ریبیر (معادله 2-32) در مراجع[37,40,41] و بسط فلچر - ریوز (معادله 2-33) در مراجع[37,38,40] آمده است.
(2-32) γk=j=1N∇S(pk)j∇Spk-∇S(pk-1)jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
وقتی‌که برای k=0 شرط مرزی γ0=0 برقرار باشد.
(2-33) γk=j=1N∇S(pk)2jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
بسط جهت گرادیان نسبت به پارامتر مجهول p به‌صورت
(2-34)
می‌باشد. جایی که ماتریس حساسیت می‌باشد. به‌عبارت‌دیگر درایه jام جهت گرادیان را می‌توان از فرم صریح
(2-35)
به دست آورد.
هرکدام از بسط‌های ذکرشده در مراجع جهت باعث ایجاد زاویه کمتر از بین جهت نزول و جهت منفی گرادیان شده، درنتیجه تابع بهینه می‌گردد.[36]
این بسط‌ها در مسائل خطی هم‌ارز بوده اما در مسائل غیرخطی، بر طبق برخی مشاهدات، بسط پولاک - ریبیر باعث بهبود همگرایی می‌شود. باید دانست که اگر باشد، در تمامی تکرارها جهت نزول همان جهت گرادیان می‌باشد و طول گام بهینه کاهشی به دست خواهد آمد گر چه روش گام بهینه کاهشی به‌سرعت روش گرادیان مزدوج همگرا نمی‌شود. گام جستجو از کمینه ساختن تابع نسبت به به دست می‌آید.
(2-36)
با جایگذاری از معادله (2-30) در معادله بالا و همچنین خطی سازی بردار دمای با بسط سری تیلور گام جستجو به‌صورت ماتریس زیر به دست خواهد آمد:
(2-37)
پس از محاسبه ماتریس حساسیت به یکی از روش‌های گفته‌شده در قبل، جهت گرادیان ، ضریب همبستگی و گام جستجو پروسه تکرار تا رسیدن به‌شرط توقف که طبق قانون اختلاف می‌باشد ادامه پیدا می‌کند.
(2-38) : شرط توقف
(2-39) Yti-T(xmeas,ti≈σi
σ: انحراف معیار استاندارد
(2-40) Ԑ=i=1Iσi2=Iσ2
اگرچه استفاده از این فرضیه جهت تکنیک I لازم نیست؛ زیرا تکنیک اول به‌صورت اتوماتیک با کنترل پارامتر استهلاک و کاهش شدید صعود بردار پارامترها در پروسه تکرار از ناپایداری جواب‌ها جلوگیری می‌کند. استفاده از قانون اختلاف نیازمند اطلاعات اولیه از انحراف استاندارد خطای اندازه‌گیری می‌باشد. یک روش جایگزین می‌تواند استفاده از اندازه‌گیری‌های اضافی باشد.
2-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دومبا فرض آنکه دماهای اندازه‌گیری شده در زمان‌های بوده و حدس اولیه برای بردار مجهول p باشد. ابتدا قرار داده و سپس:
گام 1: حل معادله مستقیم حرارت با استفاده از و به دست آوردن بردار دمای اندازه‌گیری
گام 2: ارائه حل اگر شرط توقف (2-38) ارضا نشده باشد.
گام 3: حل ماتریس حساسیت از معادله (2-35) به یکی از روش‌های گفته‌شده
گام 4: با دانستن Y، و جهت گرادیان از معادله (2-34) به‌دست‌آمده سپس از معادلات (2-32) یا (2-33) محاسبه می‌گردد.
گام 5: جهت نزول از معادله (2-31) محاسبه می‌آید.
گام 6: با دانستن ، Y، و گام جستجو از معادله (2-37) به دست می‌آید.
گام 7: با دانستن و و حدس جدید از معادله (2-30) به دست می‌آید.
گام 8: بجای k، 1+k را جایگزین کرده به گام 1 بازمی‌گردد.
2-8-6-3 اندازه‌گیری پیوستهتا اینجا فرض بر گسسته بودن دامنه زمانی و دماهای اندازه‌گیری شده بوده است. در حالتی که تعداد داده‌ها به‌اندازه‌ای باشد که بتوان آن‌ها را تقریباً پیوسته در نظر گرفت نیازمند برخی اصلاحات در فرم اولیه، بردار گرادیان(معادله 4-18)، گام جستجو(معادله 4-21) و تلورانس (معادله 4-24) مورداستفاده در قانون اختلاف می‌باشد.
با فرض پیوستگی اطلاعات اندازه‌گیری شده انتگرال تابع در بازه زمان 0≤t≤tf به‌صورت:
(2-41)
نوشته‌شده که تابع گرادیان معادله بالا نیز به‌صورت
(2-42)
نوشته می‌گردد. به‌عبارت‌دیگر هر جزء بردار گرادیان به فرم
(2-43)
خواهد بود. در ادامه گام جستجو نیز باید به فرم پیوسته برای دامنه زمان بازنویسی گردد.
که این مهم با بهینه‌سازی تابع برحسب در دامنه محقق می‌گردد. لذا
(2-44)
که این معادله بسیار شبیه به فرم گسسته می‌باشد.
تلورانس نیز به‌صورت نوشته می‌گردد و الگوریتم حل همچنان دست‌نخورده باقی خواهد ماند.
در مسائلی که هدف تعیین ضرایب پارامتری شده تابع مجهول باشد تکنیک III راه‌حلی جایگزین جهت پرهیز از حل چندباره ماتریس حساسیت در به دست آوردن جهت گرادیان و گام جستجو می‌باشد.
2-8-7 تکنیک III 2-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترهادر این بخش به تشریح روشی دیگر از متد گرادیان مزدوج پرداخته می‌شود که با کمک حل دو مسئله کمکی، مسئله حساسیت و مسئله اضافی، به حل گام جستجو و معادله گرادیان می‌پردازد. این روش مخصوصاً در مسائلی که هدف یافتن ضرایب توابع امتحانی بکار رفته در فرم تابع مجهول می‌باشد کاربرد دارد.
جهت راحتی مراحل بعدی آنالیز، مقادیر اندازه‌گیری شده پیوسته فرض می‌گردد.
فرم معادله تفاضل مربعات به‌صورت
(2-45)
است. مطابق قبل دمای اندازه‌گیری شده و دمای تخمین زده‌شده در نقطه در بازه زمانی می‌باشد.
گام‌های اصلی حل به شرح زیر بوده که در ادامه به شرح بیشتر هرکدام پرداخته می‌شود.
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
مسئله حساسیت
مسئله اضافی الحاقی
معادله گرادیان
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
گام‌های اول و دوم همانند سابق بوده لذا از شرح مجدد خودداری می‌گردد. در گام سوم تابع حساسیت حاصل حل مسئله حساسیت به‌صورت مشتق وابسته دما در جهت آشفتگی تابع مجهول تعریف می‌شود.
این مسئله می‌تواند با فرض اینکه دما با مقدار دچار آشفتگی شده وقتی‌که چشمه حرارتی با میزان دچار انحراف گردیده به دست آید. که انحراف از مجموع انحراف هر یک از پارامترهایش حاصل‌شده است.


(2-46)
اکنون اگر در معادله مستقیم با و با جایگزین گردد، معادله حساسیت به دست خواهد آمد.
عامل لاگرانژ جهت بهینه‌سازی تابع استفاده می‌گردد. این عامل جهت محاسبه تابع گرادیان با کمک حل مسئله الحاقی در مسئله حساسیت لازم می‌باشد. در این راستا با ضرب معادله مشتق جزئی مسئله مستقیم در ضریب لاگرانژ و انتگرال‌گیری آن در حوزه زمان و جمع معادله حاصل بافرم اولیه تابع ، جایگزین به دست می‌آید.
مشتق وابسته در جهت آشفتگی از جایگزینی ، و بجای ، و در معادله به‌دست‌آمده و صرف‌نظر کردن از ترم‌های درجه دوم حاصل می‌شود. می‌توان با حل جزءبه‌جزء طرف راست مسئله و صرف‌نظر کردن از انتگرال‌های شامل به فرم ساده‌شده معادله الحاقی دست‌یافت.
بنا بر تعریف، مشتق وابسته در جهت بردار به‌صورت
(2-47)
نوشته می‌شود. استفاده از معادله الحاقی برای آن دسته از مسائلی که حل تحلیل نداشته و نیاز به استفاده از روش‌های تفاضل محدود است، مناسب می‌باشد. با این روش، گرادیان با حل تنها یک معادله الحاقی به دست می‌آید. درحالی‌که روش دوم نیازمند حل N باره مسئله مستقیم جهت به دست آمدن ضرایب حساسیت می‌باشد.
گام جستجو که جهت بهینه‌سازی تابع در هر تکرار بکار می‌رود از خطی سازی دمای تخمین زده‌شده در فرم بهینه تابع با کمک بسط سری تیلور به دست می‌آید.
(2-48)
که حل مسئله حساسیت حاصل از قرار دادن در محاسبه معادله (2-46) می‌باشد.
باید توجه داشت که در هر گام تکرار لازم است یک مسئله حساسیت جهت محاسبه حل گردد.
شرط توقف نیز همانند تکنیک به‌صورت می‌باشد.
2-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سومبه‌صورت خلاصه الگوریتم حل به‌صورت زیر می‌باشد. با قرار دادن ، فرضیات و مطابق تکنیک II می‌باشد.
مرحله 1: محاسبه از معادله و آنگاه حل معادله مستقیم جهت به دست آوردن
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ارائه حل در صورت ارضاء نشدن آن
مرحله 3: حل معادله الحاقی جهت محاسبه با دانستن و
مرحله 4: با دانستن ، به دست آوردن پارامترهای بردار گرادیان
مرحله 5: با دانستن ، محاسبه و آنگاه جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن ، محاسبه و سپس حل مسئله حساسیت برای به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن و، محاسبه تخمین جدید و جایگزینی k با 1+k و آنگاه بازگشت به مرحله 1
2-8-8 تکنیک IV2-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابعدر این روش هیچ اطلاعات اولیه از فرم تابع مجهول به‌جز فضای تابع موجود نیست. در اینجا تابع به‌صورت زیر تعریف می‌گردد.
(2-49)
و گام‌های حل نیز مانند تکنیک III می‌باشد.
تفاوت این روش با دو تکنیک قبل در این است که دیگر به‌صورت ساده پارامتری نوشته نمی‌شود. حل مسائل الحاقی و حساسیت در حالت کلی بسیار شبیه حالت تکنیک III می‌باشد. اما جهت محاسبه معادله گرادیان دیگر نمی‌توان مانند گذشته عمل نمود.
از مقایسه مسئله الحاقی و می‌توان معادله گرادیان را به دست آورد.
(2-50)
تابع مجهول از بهینه‌سازی به دست خواهد آمد. لذا پروسه تکرار به‌صورت
(2-51)
خواهد بود. که در آن ، جهت نزول، به‌صورت زیر می‌باشد.
(2-52)
همچنین ضریب نیز می‌تواند از هرکدام از بسط‌های پولاک - ریبیر و یا فلچر - ریوز به دست آید.
در انتها نیز از بهینه‌سازی نسبت به و پس از ساده‌سازی با اعمال بسط سری تیلور، مشتق‌گیری نسبت به و مساوی صفر قرار دادن آن، به دست می‌آید.
(2-53)
که در آن جواب مسئله حساسیت با جایگزینی می‌باشد.
ازآنجاکه معادله گرادیان در زمان نهایی همواره صفر می‌باشد لذا حدس اولیه هرگز تحت پروسه تکرار تغییر نمی‌کند. لذا تابع تخمین زده‌شده می‌تواند از جواب دقیق منحرف گردد که جهت غلبه بر این موضوع می‌توان از بازه زمانی بزرگ‌تر از بازه موردنیاز استفاده نمود. همچنین می‌توان با تکرار حل معکوس و استفاده از جواب تکرار قبل جهت حدس اولیه نیز اثر این مشکل را کاهش داد.
شرط توقف نیز مانند تکنیک پیشین می‌باشد که در موارد بدون خطا می‌تواند مقداری بسیار کوچک یا حتی صفر داشته باشد.
2-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارمبه‌صورت خلاصه الگوریتم محاسباتی این تکنیک به شرح زیر می‌باشد:
مرحله 1: حل معادله مستقیم و محاسبه بر اساس
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ادامه حل در صورت ارضا نشدن آن
مرحله 3: با دانستن و ، حل معادله الحاقی و به دست آوردن
مرحله 4: حل با دانستن
مرحله 5: با دانستن گرادیان ، محاسبه از هرکدام از بسط‌های ذکرشده و نیز جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن و حل معادله حساسیت، به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن گام جستجو و جهت نزول، محاسبه مقدار جدیدو بازگشت به مرحله 1
حل معادله مستقیم جواب‌های دقیق را به دست می‌دهد.
برای محاسبه داده‌های دارای خطا می‌توان از راه‌حل زیر استفاده نمود:
(2-54)
که در آن ω متغیر رندوم با پراکندگی نرمال که دارای هسته اصلی صفر و انحراف معیار استاندارد می‌باشد. با اطمینان 99% به‌صورت -2.576<ω<2.576 بوده که می‌تواند از زیر برنامه IMSL یا DRRNOR به دست آید [31]. این مقادیر می‌تواند بجای داده‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری شده جهت حل معکوس استفاده شود.
فصل سوم: مدل ریاضی
3-1 مقدمهطبیعت پیچیده انتقال حرارت در بافتهای زنده مانع مدل‌سازی ریاضی دقیقی شده است. فرضیات و ساده‌سازی‌هایی باید انجام شود. در ادامه مروری مختصر بر معادلات و توزیع دما دربافت‌های زنده خواهیم داشت.
3-2 مدل‌های هدایت گرماییاز معادله انتقال حرارت زیستی پنز [25]شروع می‌کنیم که در سال 1948 ارائه‌شده است. ویژگی این معادله ساده بودن آن و کاربردی بودنش در شرایط خاص است.مدل‌هایی که در این بخش ارائه گردیده مدل‌های ماکروسکوپیکی است که بیشتر از سایر مدل‌ها در توصیف انتقال گرما مورداستفاده قرار می‌گیرند.
3-2-1 مدل پنزمعادله پنزبر اساس فرض‌های ساده کننده‌ای طبق فاکتور زیر است:
تعادل گرمایی: انتقال حرارت بین خون و بافت در بسترهای کپیلاری و همچنین رگ‌ها انجام می‌شود. ازاین‌رو از انتقال حرارت بین خون و بافت قبل و بعد از ورود به بافت صرف‌نظرمی‌شود.
2) تزریق وریدی خون: جریان خون در مویرگ‌های کوچک، ایزوتروپیک فرض می‌شود. این فرض باعث می‌شود جهت جریان کم‌اهمیت شود.
3)آرایش رگ‌ها:
رگ‌های خونی بزرگ‌تر در همسایگی بستر مویرگ‌های کپیلاری هیچ نقشی در تبادل حرارت بین بافت و خون مویرگ ایفا نمی‌کند. بنابراین، مدل پنزهندسهی رگ‌های اطراف را در نظر نمی‌گیرد.
4) دمای خون:
فرض می‌شود که خون با همان دمای هسته بدن Ta0 به مویرگها میرسد که به‌طور مداوم با بافت‌ها که در دمای T قرار دارند، تبادل گرمایی می‌کنند. بر اساس این فرضیات معادله پنز اثر خون را به‌عنوان یک منبع حرارتی ایزوتروپیک (یا چاه گرمایی) مدل کرده است که با نرخ جریان خون و اختلاف دمای بینTa0و T متناسب است.در این مدل، خونی که مسیر خود را آغاز می‌کند، تا زمانی که به مویرگ‌هاورگه‌ای درون بافت‌ها برسد در نظر گرفته می‌شود (المان بافتی که خون در آن واردشده است را در شکل 3-1.درنظر بگیرید). المان به‌اندازه کافی بزرگ است که رگ‌ها و مویرگ‌ها را در برداشته باشد، امّا در مقایسه با ابعادی که ما موردبررسی قرار می‌دهیم کوچک است.
1311275299085
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز
با نوشتن معادله انرژی به‌صورت زیر داریم:
(3-1) Ein+Eg-Eout=E
در اینجا از اثر جابجایی صرف‌نظر شده و به‌جای آن ترم مربوط به تزریق وریدی خون اضافه‌شده است. ساده‌ترین راه برای بررسی این ترم این است که آن را به‌صورت ترم تولید انرژی در نظر بگیریم.
اگرنرخ انرژی اضافه‌شده توسط خون در واحد حجم بافت:q''bانرژی متابولیک تولیدشده در واحد حجم بافت:q''mبا درنظر گرفتن المان موجود در شکل 1 خون با دمای مرکزی بدن به آن وارد می‌شودTa0 و در داخل المان به دمای تعادل المان بافت که T است، می‌رسد.
(3-2) q'''b=ρbCbWbTa0-T
که در معادله فوق، Cb گرمای ویژه خون، Wb نرخ خون تزریق وریدی بر واحد حجم بافت و ρb چگالی خون هست.
با استفاده از معادله انرژی و حذف کردن ترم جابجایی و استفاده از موارد فوق داریم:
(3-3) ∇.k∇T+ρbCbWbTa0-T+q'''m=ρC∂T∂t
که Cگرمای ویژه بافت، k هدایت گرمایی و ρ چگالی بافت است.
در معادله فوق اولین‌ترم مربوط به هدایت در 3 جهت است. با توجه به سیستم مختصات موردنظر ما به سه حالت زیر تبدیل می‌شود:
مختصات کارتزین،
(3-4) ∇.k∇T=∂∂xk∂T∂x+∂∂yk∂T∂y
مختصات استوانه‌ای،
(3-5) ∇.k∇T=1r∂∂rkr∂T∂r+1r2∂∂θk∂T∂θ+∂∂zk∂T∂z
مختصات کروی،
(3-6) ∇.k∇T=1r2∂∂rkr2∂T∂r+1r2sin∅∂∂∅ksin∅∂T∂∅+1r2sinθ∂∂θk∂T∂θ
قابل‌توجه است که نقش ریاضیات ترم تزریق وریدی در معادله پنز را می‌توان مانند اثر جابجایی در سطح پرهها در نظر گرفت.
معادله پنز عنوان بسیاری از مطالعات و تحقیقات بوده است. در ادامه خلاصه‌ای از انتقادهای انجام‌شده توسط افراد مختلف ارائه می‌شود. البته بیشتر توجه روی 4 فرض انجام‌شده برای فرمول پنز است. اختلاف بین نتایج و تئوری و آزمایشگاهی به دلیل همین فرض‌ها هستند.
(1) تعادل گرمایی: تعادل گرمایی در مویرگ‌ها اتفاق نمی‌افتد (فرض پنز). به‌جای آن، تعادل گرمایی دررگ‌هایpre-artery یا past-venalانجام می‌شود که دارای قطر بین70-500 μmهستند. این نتیجه‌گیری بر اساس تئوری طول تعادل گرماییLeانجام‌شده است، که فاصله‌ای است که خون در رگ می‌رود تا با بافت‌های اطراف به تعادل گرمایی برسد. برای مویرگ‌های کپیلاری این فاصله بسیار کوچک‌تر از طول آن‌هاست.رگ‌هایی که در آن‌ها LeL>1 معمولاً ازنظر گرمایی بسیار بااهمیت هستند.

user8313

1ـ آیا این بخش از اعتبارات خرد (وام های خود اشتغالی) تأثیری درایجاد اشتغال داشته است یاخیر؟
2ـ آیا تأثیر وام های خود اشتغالی در ایجاد مشاغل در بخش های کشاورزی، خدمات، صنعت متفاوت است؟
3ـ آیا وام های خود اشتغالی منجر به اشتغال دائم در نواحی روستایی شده است؟
4ـ آیا میزان مبلغ وام خود اشتغالی برای ایجاد یک شغل کافی بوده است؟
5ـ آیا وام گیرندگانی که دارای تحصیلات دانشگاهی بالاتر می باشند در ایجاد شغل موفق تر بوده اند؟
6ـ آیا وام های خود اشتغالی بر توانمندسازی افراد بیکار مؤثر بوده است؟
1 ـ 2 ـ ضرورت تحقیقجوامع روستایی شهرستان لنگرود دارای نظام فرهنگی و اجتماعی مستقلی هستند که در اثر عوامل مختلفی از جمله مسائل طبیعی، اجتماعی، سیاسی شکل گرفته اند با توجه به اینکه زمینه اصلی فعالیت در روستاهای شهرستان لنگرود که به علل مختلف از جمله کوچک بودن واحد های تولیدی، فساد محصولات کشاورزی، عدم وجود امکانات نگهدارنده مانند سرد خانه، کمبود وسائل حمل ونقل، زیادی بار تکفل خانوار و محدود بودن سرمایه گذاری دولت در روستاها و پایین بودن مقدار سرمایه و پس انداز در روستا ها سبب فقر روستاییان شده است. منظور از اعتبارات خرد که در دنیا سابقه 30 ساله دارد این است که به منظور رفع محرومیت فقر، وام های کوچک در اختیار گروه های کم در آمد، جهت انجام فعالیت های کوچک همراه ارائه مهارت و تکنولوژی مورد نیاز قرار می گیرد در صورتی که اقشار کم درآمد روستاها نتوانند درآمد مورد نیازشان را تأمین کنند مهاجرت، تخریب محیط زیست اجتناب ناپذیر خواهد بود. برای کسب درآمد داشتن یک شغل ضروری است و برای کسب شغل نیز امکانات ویژه ای لازم است. قبل از اینکه مردم بتوانند کاری را شروع کنند باید دارای سرمایه باشند وجود سرمایه عامل مهمی است که می تواند عوامل دیگر را نیز تهیه کند از آن جا که اهداف اعتبارات خرد بالا بردن میزان تولید و افزایش اشتغال و تثبیت مالی مشاغل دارای بحران مالی بالا برای میزان تولید و افزایش سطح در آمد و تواناسازی روستاییان به ویژه برای گروه های آسیب پذیر می باشد. در نواحی روستایی که بیکاری اعم از آشکار و پنهان در سطح وسیعی از اقشار جامعه به خصوص جوانان و زنان روستایی وجود دارد و از طرف دیگراز آن جایی که در صد بالایی از افراد روستایی در نیمه دوم سال در بیکاری به سر می برند ضرورت تأمین اعتبارات جهت ایجاد فرصت های شغلی برای نیروی کار عظیم فراوان روستایی کاملا احساس می شود. این اعتبارات با میزان وام های کوچک می تواند، باعث پدید آمدن فعالیت کوچک و جدید در روستا شوند و از این راه ضمن پدید آمدن اشتغال به دریافت کننده، تسهیلات مورد نظر وضعیت اقتصادی خانوار را با توسعه سرمایه گذاری ها و پس انداز متحول سازد و باعث کاهش بیکاری و وابستگی روستاییان به محصولات کشاورزی از طریق ایجاد مشاغل جنبی در کنار فعالیت های کشاورزی و توانمند سازی و کمک به کار آفرینی در مناطق روستایی شود.
امروزه با توجه به پائین بودن تمرکز سرمایه در روستاهای ایران ضرورت تحقیق و بررسی اثر بخشی و میزان تأثیر این راهبرد جهت کاهش مشکلات نواحی روستایی ایران امری لازم و ضروری می باشد.
1 ـ 3 ـ پیشینه تحقیقآغاز مطالعات مربوط به اعتبارات خرد در جهان به اواخر دهه 1980 میلادی و در کشورمان ایران، به اوایل دهه 1380 بر می گردد. در این بین، تحقیقات و منابعی که به لحاظ موضوعی می توانند به عنوان پیشینه تحقیق حاضر محسوب شوند، عبارتند از:
بختیاری و پاسبان در سال 1383 در پروژه - ریسرچای با عنوان " نقش اعتبارات بانکی در توسعه فرصتهای شغلی، مطالعه موردی بانک کشاورزی ایران "، باروش توصیفی ـ تحلیلی، روش تجزیه ـ تحلیل کمی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای، با بررسی جایگاه و اهمیت سیاست های اعتباری در رشد و توسعه کشورها و بخش کشاورزی با تجزیه و تحلیل سری های زمانی 1379ـ 1349 و مدلهای اقتصاد سنجی، به بررسی نقش اعتبارات بانکی در توسعه اشتغال پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد، اعتبارات بانک کشاورزی در کوتاه مدت بر اشتغال و در دراز مدت بر سرمایه گذاری تأثیر مثبت داشته است.
عباسی و آرایانفر در سال 1387 در پروژه - ریسرچای به عنوان" ارزیابی و اثر بخشی وام های خود اشتغالی در طول برنامه سوم توسعه در استان گلستان " با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری کتابخانه ای، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، به ارزیابی اجرای ماده 56 قانون برنامه و توسعه در خود اشتغالی استان گلستان پرداخته است، نتایج تحقیق نشان می دهد، که وام های خود اشتغالی سازمان کار و امور اجتماعی، موجب ایجاد اشتغال مورد انتظار نشده است، اما صندوق حمایت از فرصت های شغلی به ایجاد اشتغال مورد انتظار انجامیده است، همچنین درصد وام های خود اشتغالی موفق صندوق حمایت از فرصت های شغلی بیش از درصد وام های موفق سازمان کار و امور اجتماعی است. علاوه بر این، بین تعداد وام های خود اشتغالی پرداخت شده و تعداد اشتغال ایجاد شده همبستگی مثبت و معنی داری وجود دارد.
جعفر یعقوبی در سال 1384 در پروژه - ریسرچای به عنوان "بررسی اثرات اعتبارات خرد بر اشتغال زنان روستایی استان زنجان " با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، با هدف بررسی اثرات اعتبارات خرد و جایگاه آن در خانواده پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد که اعتبارات خرد پرداخت شده در زمینه اشتغال بیشترین تأثیر را در تثبیت شغل قبلی زنان دریافت کننده وام داشته است. و هم چنین تحلیل همبستگی بین اشتغال و متغیر های مستقل نشان داد که میان میزان تحصیلات زنان و میزان تحصیلات مردان نسبت به دریافت وام در سطح 1% رابطه معنی داری وجود دارد.
مهدی چراغی در سال 1390 در پایان نامه خود به عنوان " تبیین اثرات پرداخت اعتبارات خرد بانکی جهت دستیابی به توسعه روستایی در دهستان غنی بیگلو " باروش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد، اعتبارات خرد کمیته امداد بر توانمندسازی اقتصادی گرو های هدف موثر نبوده و اعتبارات خرد بهسازی مسکن هم نتوانسته است، بهبود کیفیت زندگی روستائیان را در چهار بعد اجتماعی، اقتصادی، کالبدی و زیست محیطی به همراه داشته باشد. در اعتبارات خرد بانک کشاورزی، نتایج تحقیق نشان می دهد، 84 درصد از کشاورزان دریافت کننده اعتبارات، اعتبارات را در بخش غیر از کشاورزی مصرف کرده اند. در میان 15 عامل مورد بررسی، کمبود درآمد کشاورزان مهمترین عامل این فرایند شناخته شد.
پیمان حسینی در سال 1392 در پایان نامه خود به عنوان " تأثیر صندوق اعتبارات خرد زنان روستایی بر بهبود درآمد خانوار روستایی استان کردستان " با روش توصیفی ـ تحلیلی ، روش گردآوری کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی ، با هدف بررسی تأثیر صندوق اعتبارات خرد بر افزایش تولیدات صنایع روستایی صورت گرفته است. نتایج پژوهش نشان می دهد از بین متغیر های مختلف، سن، وضعیت تأهل، تحصیلات، تحصیلات همسر،تعداد افراد خانوار، مدت زمان عضویت بیشترین تأثیر را تحصیلات همسر و مدت زمان عضویت در صندوق بر اشتغال اعضا دارند. همچنین نتایج تجزیه و تحلیل نشان می دهد که صندوق اعتبارات خرد زنان روستایی به میزان نسبتاً زیادی بر اشتغال و افزایش درآمد خانوار روستایی تأثیر گذار است.
افتخاری و همکاران در سال 1385، در پروژه - ریسرچای با عنوان " ارزیابی آثار اعتبارات خرد بانکی در توسعه کشاورزی" با مطالعه موردی تعاونی های خود جوش روستایی شهرستان خدابنده، به بررسی آثار استفاده از اعتبارات خرد بانک کشاورزی در قالب پرداخت گروهی، در طرح های تأمین آب برای توسعه فعالیت های کشاورزی، در بین سالهای 1384 تا 1374 در مناطق روستایی شهرستان خدابنده استان زنجان پرداخته است. روش تحقیق در این مطالعه مبتنی بر پانل گذشته نگر است. در گردآوری اطلاعات از پرسشنامه و مصاحبه حضوری استفاده شده است. نتایج تجزیه و تحلیل متغیر ها با روش کمی نشان می دهد، اعتبارات خرد بانک کشاورزی توانسته است در توسعه کشاورزی منطقه مورد مطالعه، در سطح معناداری5 % درصد نقش ایفا کند.
حسن زاده و قویدل در سال 1384 ، در پروژه - ریسرچای با عنوان "چالش های تأمین مالی خرد روستایی در ایران، مقایسه تطبیقی صندوق های قرض الحسنه روستایی و گرامین بانک بنگلادش" با روش تحقیق تحلیلی، روش تجزیه ـ تحلیل کیفی، روش گرد آوری اطلاعات کتابخانه ای، با مقایسه نسبت های نفوذ پذیری، خود کفایی مالی، ارزش افزوده به اعتبارات پرداختی و ارزش افزوده به تعداد کارکنان در دو موسسه مالی یاد شده سعی در ارائه راهکار مناسبی برای رفع مشکلات تأمین مالی خرد در روستاهای ایران دارد. هدف این تحقیق شناخت مزایا و معایب هر کدام و ارائه یک الگوی کاربردی و پیشنهادی برای ایران است. نتایج تحقیق نشان می دهد، شاخص های نفوذ پذیری، خودکفایی مالی و ارزش افزوده به اعتبارات پرداختی در ایران به روستاییان کمتر از بانک گرامین بنگلادش می باشد.
حسن زاده و همکاران در سال 1385 ، در پروژه - ریسرچای با عنوان " بررسی آثار اعتبارات خرد در کاهش فقر و نابرابری های درآمدی" با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای، روش تجزیه ـ تحلیل کمی، ضمن ارائه تعاریف مختلف و ارتباط آن با فقر و نا برابری، تاًثیر اعتبارات خرد اعطایی در سال های اخیر بر کاهش فقر و افزایش درآمد سرانه میان استان ها را بررسی کرده است. روش مورد استفاده در این پژوهش مدل ادغام داده ها در 28 استان و برای سال های 1382 ـ 1380 است، که با استفاده از متغیر نسبت تسهیلات قرض الحسنه به کل تسهیلات، تاثیر اعتبارات خرد را بر درآمد سرانه نشان داده شده است.
سعدی و عرب مازاردر سال 1384، با پروژه - ریسرچای با عنوان نقش اعتبارات خرددرتوانمندسازی زنان روستایی تجربه بانک کشاورزی با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه ـ تحلیل کمی و کیفی، به مطالعه زنان سر پرست خانوار که تحت پوشش طرح حضرت زینب (س) قرار داشته و بین سال های 1377و1381 برای انجام فعالیت های تولیدی از بانک کشاورزی تسهیلات قرض الحسنه دریافت کرده اند پرداخته است. نتایج تحقیق نشان می دهد، مبلغ هر فقره از تسهیلات اعطایی باید افزایش یابد چرا که ایجاد اشتغال پایدار با مبلغ فعلی (میانگین65/2میلیون ریال) ، تا حدی مشکل است. از8/14درصد از زنان مورد مطالعه، طرح حضرت زینب (س) موفق نبوده و نتوانسته است به اهداف خود دست پیدا کند. در مقابل 3/43درصد معتقدند این طرح تا حدی موفق بوده است 6/34درصد از زنان تأثیر طرح را بر زندگی خودشان مثبت قلمداد نموده اند و3/7 درصد اظهار نموده اند که طرح توانسته است به اهداف خود دست پیدا کند.
ارنس ( Irenes ) در سال 2010، در پایان نامه خود تحت عنوان زنان روستایی و اعتبارات خرد در غنا با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه و تحلیل کمی و کیفی، به این نتیجه رسیده است که فعالیت اجتماعی و اقتصادی زنان روستایی این طور نشان می دهد که زنان روستایی در زمینه های مختلف از اعتبارات خرد بهره برده اند ولی هنوز چالش هایی از قبیل دین و سایر عوامل اجتماعی و فرهنگی و سطوح پایین سواد زنان صندوق را محدود کرده است.
شیالی ( Xiali) در سال 2010، طی مطالعه خود تحت عنوان ارزیابی اثرات وام های خرد بر رفاه خانوار در مناطق روستایی چین با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی، استفاده از روش تجزیه و تحلیل کمی و کیفی، به این نتیجه رسیده است که این وام ها توانسته است به طور قابل توجهی به بهبود رفاه خانوارها از جمله افزایش درآمدشان داشته باشد و تأثیر قابل توجهی در ابعاد مختلف توانمندسازی زنان روستایی اعم از امنیت اقتصاد( مدیریت مالی )، مسائل اجتماعی داشته باشد.
ماریانا کیم ( Mariana kim) در سال 2013، در پایان نامه خود تحت عنوان استراتژی های اقتصادی برای کاهش فقر مناطق روستایی برمه با روش توصیفی ـ تحلیلی، روش گردآوری اطلاعات کتابخانه ای و میدانی ، استفاده از روش تجزیه و تحلیل کمی و کیفی، به بررسی مقایسه ای جایگزینی مداخلات، برای افزایش دسترسی روستاییان به سرمایه پرداخته است. در تحقیق خود به این نتیجه رسیده است که نزدیک به 85 درصد مناطق روستایی برمه در فقر به سر می برند و دو عامل کلیدی فقر در مناطق روستایی برمه 1 ـ پایین بودن دستمزد کارگران 2 ـ عدم مالکیت زمین توسط روستاییان و جمعیت بالا توضیح داده است و بیان می کند که عدم مالکیت زمین توسط روستاییان دسترسی آنان را به منابع اعتباری محدود می سازد. مداخله دولت بر سهولت اعطای اعتبارات و نظارت ، آموزش های لازم به روستاییان فقیر می تواند باعث توانمند سازی جامعه روستایی برمه شود.
1 ـ 4 ـ اهداف تحقیقتحلیل و شناسایی تاًثیر اعتبارات خرد(وام های خود اشتغالی) بر ایجاد اشتغال در روستاییان منطقه
شناسایی و بررسی شغل های ایجاد شده بعد از دریافت وام
بررسی تأثیر اعتبارات خرد(وام های خود اشتغالی ) در تثبیت مشاغل دائمی در مناطق روستایی
تحلیل تأثیر اعتبارات خرد بر توانمند سازی روستاییان
1 ـ 5 ـ فرضیه های تحقیقفرضیه های تحقیق به شرح زیر می باشد:
1ـ بین میزان تحصیلات و موفقیت ایجاد شغل رابطه معنادار وجود دارد.
2 ـ بین میزان مبلغ وام خود اشتغالی و ایجاد مشاغل در مناطق روستایی رابطه وجود دارد.
3 ـ از نظر دریافت کنندگان وام تفاوت معناداری بین اثرات وام وجود دارد.
1 ـ 6 ـ روش شناسی تحقیقروش شناسی به دو معنی به کار می رود: 1 ـ بررسی روش های پژوهشی علمی 2 ـ مجموع روش های هر علم. در معنی اول وسیله ای است که هر پژوهشگر را از گمراهی و کج اندیشی باز می دارد و او در را رسیدن به حقیقت یاری می دهد، در این معنی روش شناسی به معنای معرفت شناسی و شناخت علم است. در معنای دوم روش شناسی شامل گفتمان در بعضی از روش ها است، یعنی گفتمان درباره بسندگی و مناسبت تلفبق با ترکیب ویژه ای از اصول و رویه های پژوهشی از جمله روش جامعه، نمونه, جامعه آماری و . . . است( میرزایی، 1388، 56ـ 55 ). شناخت علمی پیام ها و هدفهای علم با روش شناسی صحیح انجام می شود. روش شناسی، یک نوع فلسفه و بینش است که در راه قوام روش ها به کار می رود( فدایی و خلیلی، 1386، 113).
روش شناسی تحقیق حاضر به صورت قانون گرایی می باشد. در رهیافت قانون گرایی منطق تبیین قیاسی ـ قانونی حاکم است. در این تبیین نقش محوری را قانون علمی ایفا می کند. در تبیین قانونی ابتدا یک واقعه خاص وجود دارد، آنگاه قوانین کلی جستجو می شود که علت آن واقعه بر اساس قواعد منطقی از آن قوانین استنتاج شود.
1 ـ 7ـ روش تحقیقتحقیق حاضر از نظر نوع کاربردی و از نظر ماهیت و روش توصیفی ـ تحلیلی می باشد.
1 ـ 8 ـ روش ها و ابزار گردآوری اطلاعاتروش ها و ابزار گردآوری اطلاعات در تحقیق حاضر شامل روش های کتابخانه ای و میدانی می باشد.
1ـ 8 ـ 1ـ روش کتابخانه ایدر روش کتاب خانه ای با فیش برداری از منابع مکتوب ( کتاب ها، مقالات، نشریات، گزارش ها و آمارنامه ها ) جستجو در شبکه اینترنت و استفاده از نقشه های توپو گرافی و با استفاده از منابع موجود در سازمانها، اطلاعات مورد نیاز استخراج، مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرند.
1 ـ 8 ـ 2ـ روش میدانیاین روش در تحقیق حاضر شامل ابزارهای پرسش نامه ( طیفی، ترکیبی، وزنی، ) مشاهده ( علنی، و غیر علنی، غیر مشارکتی، فردی) و مصاحبه ( نامنظم و هدایت شده ) است.
1 ـ 8 ـ 2 ـ1 پرسشنامهیکی از روش های رایج جهت کسب اطلاعات به صورت مستقیم پرسشنامه می باشد. در پرسش نامه تحقیق حاضر سوالات در مقیاس های مختلف اسمی ، ترتیبی، فاصله ای و نسبتی است. در این پرسش نامه به بررسی ویژگی های جمیتی خانوارها، نوع فعالیت اقتصادی خانوارها ، وضعیت برخورداری از امکانات خانوارها، بررسی ویژگی اعتبارات دریافتی از قبیل( سال اخذ وام ، مبلغ وام، مدت بازپرداخت و . . . ) پرداخته شده است.
برای اعتبار و روایی پرسشنامه، برای رفع ابهام ابتدا به تأیید استاد راهنما و استاد مشاور در آمده است و بعد از آن از سوی چند تن از اساتید در خصوص مفاهیم، ابعاد مؤلفه ها و شاخص های تحقیق مورد بررسی قرار گرفت و نظرات و ایرادات گرفته شده توسط آنان مورد توجه قرار گرفته و در نهایت پرسش نامه نهایی تدوین گردید.
جهت تعیین پایایی ضریب اعتبار پرسش نامه های تحقیق حاضر، پس از تکمیل پرسش نامه ها، داده ها وارد نرم افزار spss شد و با استفاده از روش آلفاء کرونباخ اعتبار پرسش نامه 82/0 بدست آمد.
1 ـ 8 ـ 2 ـ 2ـ مصاحبهدر تحقیق حاضر جهت تکمیل اطلاعات مورد نیاز از روش مصاحبه نامنظم و هدایت شده استفاده شده است. در این روش ابزار سنجش طراحی شده حاوی تعدادی سوال با ترتیب خاص و غیر قابل انعطاف نیست، بلکه از آزادی عمل زیادتری برای کسب اطلاعات دقیق تر و عمیق و بیشتر برخوردار است.
1 ـ 8 ـ 2 ـ 3 ـ مشاهدهمشاهده شامل مجموعه عملیاتی است که طی آنها مدل تحلیلی ( متشکل از مفاهیم ) با واقعیت های عینی باز بینی شده و با داده های قابل مشاهده مقابله داده می شود( کیوی و کامپنهود، 1385، 159). بنابراین در این مرحله اطلاعات زیادی گردآوری می شود. در تحقیق حاضر جهت بررسی شغل های ایجاد شده توسط روستاییان از طریق اعتبارات داده شده که به صورت عینی قابل مشاهده هستند از روش مشاهده علنی، غیر مشارکتی، فردی استفاده شده است.
1ـ 9 ـ شاخص های تحقیقجهت تحلیل و تبیین بررسی وام های خوداشتغالی پرداختی بر متغیر های مورد بررسی، به تدوین شاخص ها پرداخته شد.
جدول شماره (1 ـ 1 ) شاخص های تحقیق اثرات وام خود اشتغالی بر افراد وام گیرندهردیفافزایش توان تولیدی1ایجاد فرصت های شغلی2 گرایش افراد به فعالیتهای تولیدی و سرمایه گذاری اقتصادی
3موجب ارتقای مهارت4افزایش میزان درآمد5تثبیت شغل6کسب درآمد7کاهش بیکاری در طول سال8ثبات در آمد9تنوع شغلی10استفاده از وسایل مکانیزهمنبع: یافته های تحقیق1ـ 10 ـ متغیرهای تحقیقانواع متغیر تحقیق حاضر از نظر نقش شامل متغیر وابسته و مستقل می باشد.
1 ـ 10 ـ 1 ـ متغیر مستقلدر تحقیق حاضر اعتبارات دریافت شده توسط خانوار های روستایی و همچنین ویژگی های فردی وام گیرندگان و عوامل اقتصادی به عنوان متغیر مستقل می باشد.
1ـ 10 ـ2ـ متغیر وابستهدر تحقیق حاضر ایجاد اشتغال و نوع شغل های ایجاد شده توسط دریافت کنندگان وام به عنوان متغیر وابسته می باشد.
1ـ 11 ـ جامعه آماریدر هر بررسی آماری، مجموعه عناصر مورد نظر را جامعه می نامند. به عبارت دیگر جامعه مجموعه تمام مشاهدات ممکنی است که می توانند با تکرار یک آزمایش حاصل شوند، به طور کلی جامعه عبارت است از مجموعه ای از افراد یا واحدها که دارای حداقل یک صفت مشترک باشند.
جامعه آماری تحقیق حاضر شامل روستاهای شهرستان لنگرود می باشد. این شهرستان در سرشماری سال 1390 دارای208 روستا می باشد که از این تعداد 193 روستا دارای سکنه، 14842 خانوار و 45235 نفر جمعیت بوده است. با توجه به گستردگی منطقه مورد مطالعه و به منظور مطالعه دقیق، افراد با استفاده از روش سیستماتیک منظم انتخاب شدند. با توجه به موضوع تحقیق که در مورد وام های خود اشتغالی دریافتی می باشد، جهت تحلیل اثرات، تعداد افراد وام گیرنده که 1450 نفر بوده اند 320 نفر و در دوره زمانی 1385 ـ 1391 مورد مصاحبه قرار گرفتند. برای تعیین تعداد حجم نمونه از فرمول کوکران استفاده شده است.
1 ـ 12 ـ روش نمونه گیرینمونه بخشی از جامعه تحت بررسی است که با روشی که از پیش تعیین شده است انتخاب می شود، به صورتی که می توان از این بخش، استنباطهایی درباره کل جامعه بدست آورد. انتخاب تعدادی از افراد، حوادث و اشیاء از یک جامعه تعریف شده به عنوان نماینده آن جامعه است. اولین قدم در نمونه گیری تعریف جامعه مورد نظر است و هدف نوعی نمونه گیری است که تمام افراد جامعه تحت انتخاب شدن شانس برابر داشته باشند.
نمونه گیری مشتمل بر گزینش واحد ها به روشی سیستماتیک و در نتیجه به صورت غیر تصادفی است. منظور از از این نوع نمونه گیری معمول، پخش کردن واحدها بطور یکنواخت بر روی چارچوب است. نمونه گیری منظم برای انتخاب یک نمونه از یک جامعه تعریف شده به کار می رود.
روش نمونه گیری در این تحقیق نمونه گیری سیستماتیک منظم می باشد.
1 ـ 13 ـ روش تجزیه و تحلیل اطلاعاتجهت تجزیه و تحلیل اطلاعات و داده های بدست آمده، با توجه به فرضیه های تحقیق از تحلیل کیفی و کمی استفاده شده است. از نرم افزار EXCEL, SPSS, GIS استفاده شده است.
1 ـ 13 ـ 1 ـ شیوه تحلیل کیفیتحلیل کیفی در بسیاری از زمینه های جغرافیایی انسانی کاربرد دارد. دو سوال اساسی که محققان کیفی پاسخ می گویند، مربوط به ساختارهای اجتماعی و تجربه های فردی است( های، 1388، 24 ). در تحقیق حاضر اطلاعاتی که از روستاهای مورد مطالعه بدست آمده با استفاده از منطق و استدلال عقلی مورد تحلیل کیفی قرار می گیرند.
1 ـ 13 ـ 2 ـ شیوه تحلیل کمیاین شیوه که به روش تجزیه و تحلیل آماری نیز شهرت دارد، در مورد داده های کمی کاربرد دارد. در تحقیق حاضر، جهت تحلیل کمی داده ها از روش های آمار توصیفی و آمار استنباطی استفاده شده است.
1 ـ 13 ـ 2 ـ 1 ـ آمار توصیفیآمار توصیفی شامل ابزارها و روش هایی برای توصیف مجموعه ای از مشاهدات است( نایبی، 1388، 8 ). در تحقیق حاضر از روش های آماری توصیفی جداول توزیع فراوانی، استفاده شده است.
1 ـ 13 ـ 2 ـ 2 ـ آمار استنباطیآمار های استنباطی معمولا برای آورد جامعه و فرضیه آزمایی به کار گرفته می شود. در تحقیق حاضر از آماره های ضریب همبستگی شامل اسپرمن، آمار t تک نمونه، خی دو،( کای اسکوار)، وی کرامر و فریدمن استفاده شده است.
1 ـ 14 ـ موانع تحقیقمهمترین موانع تحقیق حاضر مربوط به موارد زیر می باشد
1 ـ کمبود آمار و اطلاعات دقیق در مورد تعداد افرادی که اعتبارات دریافت کرده اند ؛
2 ـ مشکلات بسیار زیاد در پیدا کردن آدرس محل زندگی افراد وام گیرنده برای پر کردن پرسش نامه ؛
3 ـ عدم تمایل به همکاری با پژوهشگران در ادارات و نهادهای اجرایی و نیز مسؤلین منطقه و عدم پاسخگویی به سؤالات و پرسشهای مربوطه، به دلایل مختلف ؛


3 ـ کمبود امکانات و بودجه کافی در جهت به انجام رساندن پژوهش؛
شکل شماره 1 ـ 1 : مراحل تحقیقتفکر و پرسش آغازین و انتخاب عنوان تحقیق
مطالعات اکتشافی
بیان مساله تحقیق و تدوین اهداف
بررسی پیشینه مطالعاتی
ارائه فرضیه
چارچوب نظری تحقیق
پرسشنامه
تجزیه و تحلیل و استنتاج از داده ها
آزمون فرضیات و نتیجه گیری
تبیین نتایج و ارائه پیشنهادات
مطالعه و فیش برداری
برداشت میدانی
جمع آوری و طبقه بندی اطلاعات مطالعه ویژگی های جغرافیایی منطقه مورد مطالعه
مصاحبه
مشاهده

فصل دوم:مبانی نظری

user8290

TOC o "1-3" h z u 1-1. انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل7
1-2. نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت7
1-3. نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت12
فصل دوم - آئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی
2-1. 1برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست18
2-2. فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس23
2-3. حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس25
2-4. حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت26
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت31
3-2. اصلاح شیمی سطح ژل34
3-3. چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی36
3-4. شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو36
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. فازهای مجزا نمونه روی همزن52
4-2. نمونه‌های در قالب ریخته شده52
4-3. نمونه الکوژل53
4-4. نمونه آئروژل54
4-5. تصاویر FE-SEM نمونه‌ها الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.55
4-6. نمودار توزیع اندازه ذرات الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%56
4-7 . پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% پیش از عملیات حرارتی58
4-8. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 600 درجهی سانتیگراد59
4-9. پراش XRD نمونه‌های الف) 10%، ب) 15%و ج) 20% در دمای 800 درجهی سانتیگراد60
4-10. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 600 درجه‌ی سانتی ‌گراد61
4-11. آنالیز نمونه‌های الف)10%، ب) 15%و ج) 20% حرارت داده شده در دمای 800 درجه‌ی سانتی ‌گراد62
4-12. طیف‌های جذبی FT-IR الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.65
4-13. تصویر TEM یکی از نمونه‌ها67
4-14. نمودارهای لانگمیر الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%69
4-15. نمودارهای BET الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%71
4-16. جذب و واجذب الف) 10%، ب) 15% و ج) 20%.72
4-17. حلقه پسماند نمونه‌ها قبل از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.74
4-18. حلقه پسماند نمونه‌ها بعد از عملیات حرارتی الف) 10%، ب) 15%، ج) 20%.75

فهرست جداول
عنوان صفحه
فصل سوم - ساخت آئروژل و کاربردهای آن
3-1. کاربردهای مختلف آئروژل‌ها48
TOC o "1-3" h z u
فصل چهارم - سنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت
4-1. میزان گرم و لیتر مواد مورد نیاز51
4-2. نتایج حاصل از XRD63
لیست علایم و اختصارات
برونر، امت، تلر(Brunauer, Emmett, Teller) BET
پراش پرتو ایکس (X-Ray Diffraction) XRD
مغناطیسسنج نمونهی ارتعاشی (Vibrating Sample Magnetometer) VSM
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (Field Emission Scanning Electron Microscopy) FE-SEM
میکروسکوپ الکترونی عبوری (Transmission Electron Microscopy) TEM
آنگسترم (Angestrom) Å
اورستد (Oersted) Oe
نانومتر (Nanometer) nm
واحد مغناطیسی (Electromagnetic Units) emu
فصل اولمفاهیم اولیه1854668136024
مقدمهاز اواخر قرن بیستم دانشمندان تمرکز خود را بر فناوری نوینی معطوف کردند که به عقیده‌ی عده‌ای تحولی عظیم در زندگی بشر ایجاد می‌کند. این فناوری نوین که در رشته‌هایی همچون فیزیک، شیمی و مهندسی از اهمیت زیادی برخوردار است، نانوتکنولوژی نام دارد. می‌توان گفت که نانوفناوری رویکردی جدید در تمام علوم و رشته‌ها می‌باشد و این امکان را برای بشر به وجود آورده است تا با یک روش معین به مطالعه‌ی مواد در سطح اتمی و مولکولی و به سبک‌های مختلف به بازآرایی اتم‌ها و مولکول‌ها بپردازد.
در چند سال اخیر، چه در فیزیک تجربی و چه در فیزیک نظری، توجه قابل ملاحظه‌ای به مطالعه‌ی نانوساختارها با ابعاد کم شده است و از این ساختارها نه تنها برای درک مفاهیم پایه‌ای فیزیک بلکه برای طراحی تجهیزات و وسایلی در ابعاد نانومتر استفاده شدهاست. وقتی که ابعاد یک ماده از اندازه‌های بزرگ مانند متر و سانتیمتر به اندازه‌هایی در حدود یک دهم نانومتر یا کمتر کاهش می‌یابد، اثرات کوانتومی را می‌توان دید و این اثرات به مقدار زیاد خواص ماده را تحت الشعاع قرار می‌دهد. خواصی نظیر رنگ، استحکام، مقاومت، خوردگی یا ویژگی‌های نوری، مغناطیسی و الکتریکی ماده از جمله‌ی این خواص‌ می‌باشند [1].
1-1 شاخه‌های فناوری نانوتفاوت اصلی فناوری نانو با فناوری‌های دیگر در مقیاس مواد و ساختارهایی است که در این فناوری مورد استفاده قرار می‌گیرند. در حقیقت اگر بخواهیم تفاوت این فناوری را با فناوری‌های دیگر بیان نماییم، می‌توانیم وجود عناصر پایه را به عنوان یک معیار ذکر کنیم. اولین و مهمترین عنصر پایه نانو ذره است. نانوذره یک ذره‌ی میکروسکوپی است که حداقل طول یک بعد آن کمتر از ١٠٠ نانومتر است و میتوانند از مواد مختلفی تشکیل شوند، مانند نانوذرات فلزی، سرامیکی و نانوبلورها که زیر مجموعهای از نانوذرات هستند [ 3و 2]. دومین عنصر پایه نانوکپسول است که قطر آن در حد نانومتر می‌باشد. عنصر پایه‌ی بعدی نانولوله‌ها هستند که خواص الکتریکی مختلفی از خود نشان می‌دهند و شامل نانولوله‌های کربنی، نیترید بور و نانولوله‌های آلی می‌باشند [4].
1-2 روش‌های ساخت نانوساختارهاتولید و بهینهسازی مواد بسیار ریز، اساس بسیاری از تحقیقات و فناوری‌های امروزی است. دستورالعمل‌های مختلفی در خصوص تولید ذرات بسیار ریز در شرایط تعلیق وجود دارد ولی در خصوص انتشار و تشریح دقیق فرآیند رسوب‌گیری و روش‌های افزایش مقیاس این فرآیندها در مقیاس تجاری محدودیت وجود دارد. برای تولید این نوع مواد بسیار ریز از پدیده‌های فیزیکی یا شیمیایی یا به طور همزمان از هر دو استفاده می‌شود. برای تولید یک ذره با اندازه مشخص دو فرآیند اساسی وجود دارد، درهم شکستن) بالا به پایین) و دیگری ساخته شدن) پایین به بالا). معمولا روش‌های پائین به بالا ضایعاتی ندارند، هر چند الزاما این مسأله صادق نیست [6 و5]. مراحل مختلف تولید ذرات بسیار ریز عبارت است از، مرحله‌ی هسته‌زایی اولیه و مرحله‌ی هسته‌زایی و رشد خود به خودی. در ادامه به طور خلاصه روش‌های مختلف تولید نانوذرات را بیان می‌کنیم. به طور کلی روش‌های تولید نانوذرات عبارتند از:
 چگالش بخار
 سنتز شیمیایی
 فرآیندهای حالت جامد (خردایشی)
 استفاده از شاره‌ها فوق بحرانی به عنوان واسطه رشد نانوذرات فلزی
 استفاده از امواج ماکروویو و امواج مافوق صوت
 استفاده از باکتری‌هایی که میتوانند نانوذرات مغناطیسی و نقره‌ای تولید کنند
پس از تولید نانوذرات می‌توان با توجه به نوع کاربرد آن‌ها از روش‌های رایج زمینه‌ای مثل روکشدهی یا اصلاح شیمیایی نیز استفاده کرد [7].
1-3 کاربردهای نانوساختارهایکی از خواص نانوذرات نسبت سطح به حجم بالای این مواد است. با استفاده از این خاصیت می‌توان کاتالیزورهای قدرتمندی در ابعاد نانومتری تولید نمود. این نانوکاتالیزورها بازده واکنش‌های شیمیایی را به شدت افزایش داده و همچنین به میزان چشمگیری از تولید مواد زاید در واکنش‌ها جلوگیری خواهند نمود. به کارگیری نانو‌ذرات در تولید مواد دیگر استحکام آن‌ها را افزایش داده و یا وزن آن‌ها را کم می‌کند. همچنین مقاومت شیمیایی و حرارتی آن‌ها را بالا برده و واکنش آن‌ها در برابر نور وتشعشعات دیگر را تغییر می‌دهد.
با استفاده از نانوذرات نسبت استحکام به وزن مواد کامپوزیتی به شدت افزایش خواهد یافت. اخیرا در ساخت شیشه ضد آفتاب از نانوذرات اکسید روی استفاده شده است. استفاده از این ماده علاوه بر افزایش کارآیی این نوع شیشهها، عمر آن‌ها را نیز چندین برابر نمودهاست .از نانوذرات همچنین در ساخت انواع ساینده‌ها، رنگ‌ها، لایه‌های محافظتی جدید و بسیار مقاوم برای شیشه‌ها، عینک‌ها (ضدجوش و نشکن)، کاشی‌ها و در حفاظ‌های الکترومغناطیسی شیشه‌های اتومبیل و پنجره استفاده می‌شود. پوشش‌های ضد نوشته برای دیوارها و پوششهای سرامیکی برای افزایش استحکام سلول‌های خورشیدی نیز با استفاده از نانوذرات تولید شده‌اند.
وقتی اندازه ذرات به نانومتر می‌رسد یکی از ویژگی‌هایی که تحت تأثیر این کوچک شدن اندازه قرارمی‌گیرد تأثیرپذیری از نور و امواج الکترومغناطیسی است. با توجه به این موضوع اخیراً چسب‌هایی از نانوذرات تولید شده‌اند که کاربردهای مهمی در صنایع الکترونیکی دارند. نانولوله‌ها در موارد الکتریکی، مکانیکی و اپتیکی بسیار مورد توجه بوده‌اند. روش‌های تولید نانولوله‌ها نیز متفاوت می‌باشد، همانند تولید آن‌ها بر پایه محلول و فاز بخار یا روش رشد نانولوله‌ها در قالب که توسط مارتین مطرح شد. نانولایه‌ها در پوشش‌های حفاظتی با افزایش مقاومت در خوردگی و افزایش سختی در سطوح و فوتولیز و کاهش شیمیایی کاربرد دارند.
نانوذرات نیز به عنوان پیشماده یا اصلاح ساز در پدیده های فیزیکی و شیمیایی مورد توجه قرارگرفته‌اند. هاروتا و تامسون اثبات کردند که نانوذرات فعالیت کاتالیستی وسیعی دارند، مثل تبدیل مونواکسید کربن به دی اکسید کربن، هیدروژنه کردن استیرن به اتیل بنزن و هیدروژنه کردن ترکیبات اولفیتی در فشار بالا و فعالیت کاتالیستی نانوذرات مورد استفاده در حسگرها که مثل آنتن الکترونی بین الکترود و الکترولیت ارتباط برقرار می‌کنند [7].
1-4 مواد نانومتخلخلمواد نانو متخلخل دارای حفره‌هایی در ابعاد نانو هستند و حجم زیادی از ساختار آن‌ها را فضای خالی تشکیل می‌دهد. نسبت سطح به حجم (سطح ویژه) بسیار بالا، نفوذپذیری یا تراوایی زیاد، گزینشپذیری خوب و مقاومت گرمایی و صوتی از ویژگی‌های مهم آن‌ها می‌باشد. با توجه به ویژگی‎‌های ساختاری، این به عنوان تبادل‌گر یونی، جدا کننده، کاتالیزور، حس‌گر، غشا و مواد عایق استفاده می‌شود.
نسبت حجمی فضای خالی ماده‌ی متخلخل به حجم کل ماده‌ تخلخل نامیده میشود. به موادی که تخلخل آن‌ها بین 2/0 تا 95/0 باشد نیز مواد متخلخل می‌گویند. حفره‌ای که متصل به سطح آزاد ماده است حفره‌ی باز نام دارد که برای صاف کردن غشا، جداسازی و کاربردهای شیمیایی مثل کاتالیزور و کروماتوگرافی (جداسازی مواد با استفاده از رنگ آن‌ها) مناسب است. به حفره‌ای که دور از سطح آزاد ماده است حفره‌ی بسته می‌گویند که وجود آن‌ها تنها سبب افزایش مقاومت گرمایی و صوتی و کاهش وزن ماده شده و در کاربردهای شیمیایی سهمی ندارد. حفره‌ها دارای اشکال گوناگونی همچون کروی، استوانهای، شیاری، قیفی شکل و یا آرایش شش گوش هستند. همچنین تخلخل‌ها می‌توانند صاف یا خمیده یا همراه با چرخش و پیچش باشند [7].
بر اساس دستهبندی که توسط آیوپاک صورت گرفته است، ساختار محیط متخلخل با توجه به میانگین ابعاد حفره‌ها، مواد سازنده و نظم ساختار به سه گروه تقسیمبندی میشوند که در شکل 1-1 نشان داده شده است:
الف) دسته بندی بر اساس اندازهی حفره:
میکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر کمتر از 2 نانومتر.
مزومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر 2 تا 50 نانومتر.
right59626500ماکرومتخلخل: دارای حفرههایی با قطر بیش از 50 نانومتر.
center1720850شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].
0شکل 1-1 انواع سیلیکا براساس اندازه حفره: الف) ماکرو متخلخل، ب) مزو متخلخل، ج) میکرو متخلخل [8].

بر اساس شکل و موقعیت حفره‌ها نسبت به یکدیگر در داخل مواد متخلخل، حفره‌ها به چهار دسته تقسیم می‌شود: حفره‌های راه به راه، حفره‌های کور، حفره‌های بسته و حفره‌های متصل به هم که در شکل (2-1) به صورت شماتیک این حفره‌ها را نشان داده شده است.

شکل 1-2 نوع تخلخل‌ها بر اساس شکل و موقعیت [8].
بر اساس تعریف مصطلح نانوفناوری، دانشمندان شیمی در عمل نانو متخلخل را برای موادی که دارای حفرههایی با قطر کمتر از 100 نانومتر هستند به کار می‌برند که ابعاد رایجی برای مواد متخلخل در کاربردهای شیمیایی است.
ب) دستهبندی بر‌اساس مواد تشکیل دهنده:
مواد نانومتخلخل آلی
مواد نانومتخلخل معدنی
تقسیمبندی مواد نانومتخلخل آلی
1) مواد کربنی: کربن فعال، کربنی است که حفره‌های بسیار زیاد دارد و مهم‌ترین کربن از دسته مواد میکرومتخلخل است.
2) مواد بسپاری: مواد نانو متخلخل بسپاری به دلیل ساختار انعطاف‌پذیر خود، حفره‌های پایداری ندارند و تنها چند ترکیب محدود از این نوع وجود دارد [8].
تقسیم بندی مواد نانومتخلخل معدنی
1) مواد میکرومتخلخل
زئولیت‌ها: مهم‌ترین ترکیبات میکرومتخلخل بوده که دارای ساختار منظم بلوری و حفره‌دار با بار ذاتی منفی می‌باشند. در اکثر موارد ساختار زئولیتی از قطعات چهار وجهی با چهار اتم اکسیژن و یک اتم مرکزی مثل آلومینیوم، سیلیکون، گالیم یا فسفر تشکیل شده‌اند که با کاتیون‌ها خنثی می‌شوند [8].
چارچوب فلزی-آلی: از واحد‌های یونی فلزی یا خوشه‌ی معدنی و گروه‌های آلی به عنوان اتصالدهنده تشکیل شده است که اتصال آن‌ها به هم، حفره‌ای با شکلی معین مانند کره یا هشت وجهی به وجود می‌آورد. ویژگی بارز این ترکیبات، چگالی کم و سطح ویژه‌ی بالای آن‌هاست [9].
هیبرید‌های آلی-معدنی: از قطعاتی معدنی تشکیل شده‌اند که توسط واحد‌های آلی به هم متصل هستند [10].
2) مواد مزومتخلخل:
سیلیکا: ترکیبات MCM، معروف‌ترین سیلیکای مزومتخلخل هستند.
اکسید فلزات و سایر ترکیبات مزومتخلخل: اکسیدهای نانومتخلخل فلزات مثل تیتانیوم دی اکسید، روی اکسید، زیرکونیوم دی اکسید و آلومینا، فعالیتی بیشتر از حالت معمولی خود دارند. ترکیبات سولفید و نیترید هم میتوانند ساختار مزومتخلخل داشته باشند.
3) مواد ماکرومتخلخل:
بلور کلوییدی: از مجموعه کره‌هایی مانند سیلیکا ساخته می‌شود که فضای بین آن‌ها خالی است. در بلور کلوییدی معکوس کره‌ها توخالی و فضای بین آن‌ها پر است [10].
آئروژل‌ها مواد مزومتخلخل با سطح ویژه و حجم تخلخل بالا هستند که در فصل بعد به آن‌ها می‌پردازیم.
1-5 کامپوزیت‌هاکامپوزیت‌ها (مواد چند رسانهای یا کاهگل‌های عصر جدید) رده‌ای از مواد پیشرفته هستند که در آن‌ها از ترکیب مواد ساده به منظور ایجاد مواد جدیدی با خواص مکانیکی و فیزیکی برتر استفاده شده است. اجزای تشکیلدهنده ویژگی‌های خود را حفظ کرده، در یکدیگر حل نشده و با هم ترکیب نمی‌شوند.
استفاده از این مواد در طول تاریخ مرسوم بوده است. از اولین کامپوزیت‌ها یا چندسازه‌های ساخت بشر می‌توان به آجرهای گلی که در ساخت آن‌ها از کاه استفاده شده است اشاره کرد. هنگامی که این دو با هم مخلوط بشوند، در نهایت آجر پخته بهدست می‌آید که بسیار ماندگار‌تر و مقاوم‌تر از هر دو ماده اولیه، یعنی کاه و گل است. شاید هم اولین کامپوزیت‌ها را مصری‌ها ساخته باشند که در قایق‌هایشان به چوب بدنه قایق مقداری پارچه می‌آمیختند تا در اثر خیس شدن، آب توسط پارچه جذب شده و چوب باد نکند. قایق‌هایی که سرخپوستان با فیبر و بامبو می‌ساختند و تنورهایی که از گل، پودر شیشه و پشم ساخته می‌شدند از نخستین کامپوزیت‌ها هستند [11].
1-5-1 کامپوزیت یا مواد چندسازهچندسازه‌ها به موادی گفته می‌شود که از مخلوط دو یا چند عنصر با فازهای کاملا متمایز ساخته شده باشند. در مقیاس ماکروسکوپیک فازها غیر قابل تشخیص‌اند. اما در مقیاس‌های میکروسکوپیک فازها کاملا مجزا هستند و هر فاز خصوصیات عنصر خالص را نمایش می‌دهد. در چندسازه‌ها، نه تنها خواص هر یک از اجزاء باقی مانده بلکه در نتیجهی پیوستن آن‌ها به یکدیگر، خواص جدیدتر و بهتر بهدست می‌آید [11].
1-5-2 ویژگی‌های مواد کامپوزیتیمواد زیادی می‌توانند در دسته‌بندی مواد کامپوزیتی قرار بگیرند، در واقع موادی که در مقیاس میکروسکوپی قابل شناسایی بوده و دارای فازهای متفاوت و متمایز باشند در این دسته‌بندی قرار می‌گیرند. امروزه کامپوزیت‌ها به علت وزن کم و استحکام بالا در صنایع مختلف، به طور گستره‌ای مورد استفاده واقع می‌شوند. کامپوزیت‌ها با کاهش وزن و ویژگی‌های فیزیکی بسیار عالی، گزینه‌ای مناسب برای استفاده در تجهیزات ساختاری می‌باشند. علاوه بر ‌این، کامپوزیت‌ها جایگزین مناسب برای مواد سنتی در کاربردهای صنعتی، معماری، حمل و نقل و حتی در کاربردهای زیر بنایی می‌باشد [12].
یکی از ویژگی‌های بارز کامپوزیت‌ها، حضور فاز تقویـتکننده مجزا از فاز زمینه می‌باشد. ویژگی‌های اختصاصی این دو فاز، در ترکیب با یکدیگر، ویژگی‌های یکسانی را به کل کامپوزیت می‌بخشد. در یک دسته‌بندی ویژه، کامپوزیت‌ها همواره به دو فاز زمینه و تقویتکننده تقسیم می‌شوند. می‌توان گفت در واقع زمینه مانند چسبی است که تقویتکننده‌ها را به یکدیگر چسبانده و آن‌ها را از آثار محیطی حفظ می‌کند.
1-5-3 مواد زمینه کامپوزیتزمینه با محصور کردن فاز تقویت کننده، باعث افزایش توزیع بار بر روی کامپوزیت می‌گردد. در واقع زمینه، برای اتصال ذرات تقویتکننده، انتقال بارها به تقویتکننده، تهیه یک ساختار شبکه‌ای شکل از آن‌ها و حفظ تقویتکننده از آثار محیطی ناسازگار به کار گرفته می‌شود.
1-5-4 تقویتکننده‌هادسته‌ای از مواد معمولی که به عنوان فاز تقویت کننده به کار گرفته می‌شوند، عبارتند از شیشه‌ها، فلزات، پلیمرها و گرانیت. تقویتکننده‌ها در شکل‌های مختلفی از جمله فیبرهای پیوسته، فیبرهای کوتاه یا ویسکرها و ذرات تولید می‌شوند (شکل3-3). تقویت کننده‌ها باعث ایجاد ویژگی‌های مطلوبی از جمله استحکام و مدول بالا، وزن کم، مقاومت محیطی مناسب، کشیدگی خوب، هزینه کم، در دسترسپذیری مناسب و سادگی ساخت کامپوزیت می‌گردند [12].
1-5-5 نانو کامپوزیتنانو کامپوزیت‌ها مواد مرکبی هستند که ابعاد یکی از اجزای تشکیلدهنده آن‌ها در محدوده نانو‌متری باشد. نانوکامپوزیت‌ها هم، در دو فاز تشکیل می‌شود. در فاز اول، ساختار بلوری در ابعاد نانو ساخته می‌شود که زمینه کامپوزیت به شمار می‌رود. در فاز دوم هم ذراتی در مقیاس نانو به عنوان تقویت کننده برای بهبود ویژگی‌ها به فاز زمینه افزوده می‌شود. توزیع یکنواخت این فاز در ماده زمینه باعث می‌شود که فصل مشترک ماده تقویت کننده با ماده زمینه در واحد حجم، مساحت بالایی داشته باشد [13].

شکل 1-3 نمایشی از انواع مختلف تقویت کننده‌ها در کامپوزیت [12].
1-6 خلاصهدر این فصل به بیان بعضی مفاهیم اولیه پرداختهشد. خلاصه کوتاهی از فناوری نانو، نانوساختارها و روش‌های ساخت آن‌ها گفته شد. بعد از آن مواد متخلخل بررسی شد و در نهایت مختصری در مورد کامپوزیت‌ها، ویژگی‌ها و نانوکامپوزیت‌ها بیان شد.
فصل دومآئروژلها و مروری بر خواص مغناطیسی15418474142773
2-1 تاریخچهحوزهی پژوهشی آئروژل هر ساله به طور وسیعی افزایش می‌یابد به طوری که امروزه توجه بسیاری از دانشمندان جهان را به خود اختصاص دادهاست.
اولین بار ساموئل استفان کیستلر در سال 1931 با ایدهی جایگزینی فاز مایع با گاز در ژل همراه با انقباض کم، آئروژل را تولید کرد. در آن زمان سعی ایشان بر اثبات وجود شبکه‌های جامد در درون ساختار ژل بود. یک روش برای اثبات این نظریه، برداشتن فاز مایع از فاز مرطوب ژل بدون اینکه ساختار جامد از بین برود مطرح بود. برای این کار او با استفاده از یک اوتوکلاو، فاز مایع را از ژل خارجکرد که جامد باقی مانده چگالی بسیار پایینی داشت. او دما و فشار داخلی اوتوکلاو را به نقطه بحرانی مایع رساند تا بر کشش سطحی مایع غلبهکند و ساختار داخلی ژل را از فروپاشی برهاند. به این ترتیب او با موفقیت اولین آئروژل پایه سیلیکا را تولید کرد. ولی به دلیل سختی کار، برای حدود نیمقرن پژوهشی در این زمینه صورت نگرفت. اما از همان ابتدا برای دانشمندانی چون کیستلر، واضح بود که آئروژل ویژگی‌های برجسته‌ای مانند چگالی پایین و رسانایی گرمایی ناچیزی دارد [14].
در سال‌های اخیر، ساختن آئروژل به معنای رساندن الکل به فشار و دمای بخار شدنی و به طبع آن به‌دست‌آوردن نقطهی بحرانی است و باعث استخراج فوق بحرانی از ژل می‌شود. سپس، در سال 1970، دانشمند فرانسوی تایکنر و همکارانش برای بهبود فرآیند تولید دولت فرانسه، موفق شدند روش جدیدی به غیر از روش کیستلر برای تهیهی آئروژل کشف کنند و آن را روش سل-ژل نامیدند. در این روش آلکوکسی سیلان با سیلیکات سدیم، که به وسیله کیستلر استفاده می‌شد، جایگزین گردید. با ظهور روش ارائه شده به وسیله‌ی تایکنر پیشرفت‌های جدیدی در علم آئروژل و فناوری ساخت آن حاصل شد و پژوهش‌گران زیادی به مطالعه در این زمینه روی آوردند. به دلیل انجام مطالعات، تحقیقات و اقدامات صنعتی و نیمه صنعتی که در دهه 70 و 80 بر روی آئروژل‌ها صورت گرفت، این دوره را عصر رنسانس آئروژل نامیدند. [15].


این مواد جایگاه خود را به عنوان مواد جامدی با چگالی و رسانایی گرمایی پایین به‌دست آوردند. پایین‌ترین چگالی آئروژل تولید شده 1/0 میلیگرم بر سانتیمتر مکعب است، تا حدی که نمونه می‌تواند در هوا شناور بماند. گرچه برای ساخت جامد آئروژل مواد بسیاری می‌توانند استفاده شوند ولی آئروژل‌های 2SiO متداول‌ترند. البته می‌توان با واردکردن مواد مختلف در ساختار آئروژل در حین فرآیند ژل شدن، به بهبود ویژگی‌های نمونه‌های نتیجه شده کمک کرد [16].
آئروژل‌ها را می‌توان به عنوان یک ماده منحصر به فرد در زمینه فناوری سبز در نظر گرفت. هشدار جهانی، تهدید آیندهی محیط زیست توسط گاز‌های گلخانهای تولید شده بهدست بشر را تأیید می‌کند. آیندهی انرژی‌های قابل دسترس به خاطر کمشدن منابع نفتی و حتی افزایش تقاضا برای محصولات نفتی، در خطر است. آئروژل‌ها بارها و بارها به افزایش بازدهی برخی ماشین‌ها و سیستم‌ها و کمک به کاهش مصرف انرژی یاری رسانده‌اند. همچنین آئروژل‌ها می‌توانند آلاینده‌های آب را بیرون بکشند و با گرفتن ذرات مضر قبل از ورود به اکوسیستم، سبب تخریبنشدن محیط زیست شوند. دانشمندان دریافتند که این فناوری برای تجدید و حفاظت از انرژی به توسعهی بیشتری نیاز دارد [17].
2-2 شیمی سطح آئروژلسیلیکا آئروژل حاوی ذرات نانومتری هستند. این ترکیبات دارای نسبت سطح به حجم بالا و مساحت سطح ویژهی زیادی هستند. شیمی سطح داخلی در آئروژل‌ها نقش اساسی را در بروز رفتار‌های بی‌نظیر فیزیکی و شیمیایی آن‌ها، ایفا می‌کند. ماهیت سطح آئروژل‌ها تا حد زیادی به شرایط تهیهی آن‌ها بستگی دارد. انتخاب فرآیند مربوط به ترکیبات شیمیایی و ویژگی‌های مورد نظر مشخص برای نانوذرات وابسته است. دو روش پایه برای تولید نانوذرات استفاده می‌شود:
روش از بالا به پایین
اشاره به خردکردن مکانیکی مواد با استفاده از فرآیند آسیابکاری دارد. در این فرآیند مواد اولیه به بلوک‌های پایهی بیشتری شکسته می‌شوند.
روش پایین به بالا
اشاره به ساخت سیستم پیچیده به وسیله ترکیب اجزای سطح اتم دارد. در این فرآیند ساختارها به وسیله فرآیندهای شیمیایی ساخته می‌شوند.
روش پایین به بالا بر پایه ویژگی‌های فیزیکی و شیمیایی اتمی یا مولکولی خود تنظیم می‌شوند. این روش به دلیل ساختار پیچیده اتم یا مولکول، کنترل بهتر اندازه و شکل آن‌ها انتخاب شد. روش پایین به بالا شامل فرآیندهای آئروسل، واکنش‌های بارش و فرآیند سل-ژل است [18].
مرحله اول ساختن آئروژل تولید ژل خیس است که بهترین روش برای ساخت آن استفاده از پیشماده الکوکسید سیلیکون، مانند TEOS است. شیمی ساخت Si(OCH2CH3)TEOS است که با اضافه کردن آب، واکنش شیمیایی زیر صورت می‌گیرد [19] :
Si(OCH2CH3)4(liq)+2(H2O)(liq)→SiO2solid+4(HOCH2CH3)liq
اتم سلیکون به دلیل داشتن بار جزئی مثبت کاهشیافته (+) نسبت به دیگر انواع آئروژل بیشتر مورد مطالعه قرار گرفت. در Si(OEt)+ حدود 32/0 است. این بار مثبت جزئی کاهش یافته، روند ژل شدن پیشماده سیلیکا را آهسته می‌کند.
پیشمادهی الکوکسید M(OR) هستندکه اولین بار توسط امبلن برای سنتز سیلیکا آئروژل استفاده شد. در این ترکیب M نشان دهندهی گروه فلزی، OR گروه الکوکسید و R تعیینکنندهی گروه الکلی هستند. الکوکسیدها معمولا در محلول منبع الکلی خود موجود هستند و امکان خشک کردن این ژل‌ها را در چنین محلول‌هایی فراهم می‌کند [20].
اگر آئروژل از طریق خشک کردن به وسیله الکل تهیه گردد، گروه‌های آلکوکسی (OR) تشکیل دهنده سطح آن است و در این سطح آئروژل خاصیت آبگریزی پیدا می‌کند. اگر تهیه آئروژل از طریق فرآیند دی اکسید کربن باشد آنگاه سطح آئروژل را گروه‌های هیدروکسید (OH) فرا می‌گیرد و خاصیت آب‌دوست پیدا خواهدکرد و مستقیما می‌تواند رطوبت هوا را جذب نماید. البته با حرارت دادن می‌توان رطوبت جذب شده را از ساختار آئروژل حذف نمود. شکل 1-2 به خوبی خاصیت آب‌دوست و آبگریزی را در ساختار آئروژل‌های با گروه‌های عاملی مختلف نشان می‌دهد [21].

شکل 2-1 برهمکنش آب و ساختار آئروژل، الف) آئروژل آبگریز، ب) آئروژل آب‌دوست [18].
2-3 تئوری فیزیکیاتصال شبکه نانو مقیاس سیلیکای جامد آئروژل‌های پایه سیلیکا، ویژگی‌های منحصر به فردی را به آن‌ها می‌دهد. کسر یونی پیوند کووالانت قطبی برای اکسیدهای فلزی مختلف از رابطهی زیر نتیجه می‌شود:
Fionic=1-exp⁡(-0.25 XM-XO2)که XO و XM الکترون‌خواهی O و M را نشان می‌دهد. 2SiO مقدار Fionic 54/0 دارد که طیف مقدار زاویه Si-O-Si را گسترده کرده و شبکه تصادفی را می‌دهد. چهار اکسید دیگر زاویه یونی بزرگ‌تر و مقدار کوچک‌تر زاویه پیوند را سبب می‌شوند. به این معنی که پیوند تصادفی فقط روی ماکرومقیاس‌های بیشتر با ذرات کلوییدی بزرگ‌تر و متراکم‌تر اتفاق می‌افتد، در این صورت، ژل به جای شکلگرفتن شبکهی تصادفی اتصالات به صورت ذره تشکیل می‌شود [14]. شبکهی اتصالات سیلیکا برای وزن نسبی‌اش یک جامد محکم را ایجاد می‌کند.
2-4 خاصیت مغناطیسی مواد2-4-1 منشأ خاصیت مغناطیسی موادیکی از مهمترین ویژگی‌های مواد، خاصیت مغناطیسی آن‌هاست که از زمآن‌های نسبتا دور مورد توجه بوده و هم اکنون نیز در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی قرار گرفته است.
منشأ خاصیت مغناطیسی در جامدها، الکترون‌های متحرک می‌باشند. گرچه بعضی از هسته‌های اتمی دارای گشتاور دو قطبی مغناطیسی دائمی هستند ولی اثر آن‌ها چنان ضعیف است که نمی‌تواند آثار قابل ملاحظه‌ای داشته باشد؛ مگر در تحت شرایط خاص مانند اینکه نمونه در زیر دمای یک درجهی کلوین قرار گیرد یا وقتی که تحت میدان الکترومغناطیسی با بسامدی قرار گیرد که حرکت تقدیمی هسته را تشدید نماید. در بدو ظهور نظریات مغناطیس آزمایش‌های زیادی نشان داد که اندازه حرکت زاویهای کل یک الکترون و گشتاور مغناطیسی وابسته به آن بزرگ‎تر از مقداری است که به حرکت انتقالی آن نسبت داده می‌شد. بنابراین یک سهم اضافی که از خصوصیت ذاتی با یک درجه آزادی داخلی ناشی می‌شد، به الکترون نسبت داده شد و چون این خصوصیت دارای اثر مشابه چرخش الکترون حول محورش بود اسپین نامیده گردید [22].
2-4-2 فازهای مغناطیسیبه طورکلی مواد در میدان مغناطیسی خارجی رفتارهای متفاوتی از خود نشان می‌دهند و با توجه به جهت‌گیری مغناطش، به پنج گروه تقسیم می‌شوند که به بیان آن‌ها می‌پردازیم.
2-4-2-1 مواد دیامغناطیسدر این مواد الکترون‌ها به صورت جفت بوده و اتمها دارای گشتاور مغناطیسی دائمی نیستند و با قرارگرفتن در میدان مغناطیسی خارجی دارای گشتاور مغناطیسی القایی در خلاف جهت میدان خارجی می‌شوند و آن را تضعیف می‌کند. پذیرفتاری مغناطیسی χ چنین موادی منفی و خیلی کم است. خاصیت دیامغناطیس ظاهراً در تمام انواع مواد یافت می‌شود، اما اثر آن غالباً به وسیله‌ی آثار قویتر پارامغناطیس یا فرومغناطیس که می‌توانند با این خاصیت همراه باشند، مخفی می‌شود. خاصیت دیامغناطیسی خصوصاً در موادی بارز است که کلاً اتمها یا یونهایی با پوسته‌های بسته‌ی الکترونی تشکیل شده باشند، زیرا در این مواد تمام تأثیرات پارامغناطیسی حذف می‌شوند.
2-4-2-2 مواد پارامغناطیسمواد پارامغناطیس، موادی هستند که برخی از اتمها یا تمامی آن‌ها گشتاور دو قطبی دائمی دارند، به عبارت دیگر گشتاور دو قطبی در غیاب میدان مغناطیسی، غیرصفر است. این دو قطبیهای دائمی رفتاری مستقل از هم داشته که در نهایت جهت‌گیری تصادفی دارند و در میدان‌های کوچک رقابتی بین اثر هم‌خط‌سازی میدان و بی‌نظمی گرمایی وجود دارد، اما به طور متوسط تعداد گشتاورهای موازی با میدان بیشتر از گشتاورهای پادموازی با میدان است. پذیرفتاری در این مواد مثبت است و با افزایش دما، که در اثر آن بی‌نظمی گرمایی زیاد می‌شود، کاهش مییابد. منگنز، پلاتین، آلومینیوم، فلزخاکی قلیایی و قلیایی خاکی، اکسیژن و اکسید ازت از جمله مواد پارامغناطیس‌اند.
2-4-2-3 مواد فرومغناطیس
در برخی از مواد مغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی کوچک به طور خودبهخود با گشتاورهای مجاور خود هم‌خط می‌شوند. اینگونه مواد را فرومغناطیس می‌نامند. در عمل، همه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی مغناطیسی در یک راستا قرار ندارند، بلکه این مواد از حوزه‌های بسیار کوچکی با ابعاد خیلی کمتر از میلیمتر تشکیل شده‌اند، به طوری که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه با حوزه‌های مجاور آن تفاوت دارد.
ممکن است سمتگیری و اندازه‌ی حوزه‌های مغناطیسی در یک ماده‌ی فرو مغناطیس به گونه‌ای باشد که در کل اثر یکدیگر را خنثی کنند و ماده در مجموع فاقد مغناطش است. اعمال میدان مغناطیسی خارجی بر حوزه‌های مغناطیسی سبب می‌شود که گشتاورهای مغناطیسی هر حوزه تحت تأثیر میدان قرار گرفته و جهت آن‌ها در جهت میدان خارجی متمایل شود. علاوه بر این حوزههایی که با میدان همسویند، رشد میکنند، یعنی حجم آن‌ها زیاد می‌شود و در نتیجه، حوزه‌هایی که سمتگیری آن‌ها نسبت به میدان مناسب نیست کوچک می‌شوند، مرز بین این حوزه‌ها جابجا می‌شود و در نتیجه ماده در مجموع خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند . پذیرفتاری مغناطیسی این مواد مثبت است. آهن، کبالت، نیکل و چندین عنصر قلیایی خاکی جز فرومغناطیس‌ها می‌باشند [23].
مواد فرومغناطیس دارای چند مشخصه‌ی اصلی به صورت زیر می‌باشند:
الف) مغناطش خودبه‌خودی و مغناطش در حضور میدان
ب) حساسیت مغناطش به دما
ج) مغناطش اشباع
د) منحنی پسماند
2-4-2-4 مواد پادفرومغناطیس
در مواد پادفرومغناطیس گشتاورهای مغناطیسی مجاور به صورت موازی، برابر و غیرهم راستا جهتگیری
می‌کنند. این مواد در غیاب میدان مغناطیسی دارای گشتاور صفرند. کروم و اکسیدهای آن ، جز مواد پادفرومغناطیس می‌باشند. چنین موادی معمولاً در دماهای پایین پادفرومغناطیساند. با افزایش دما ساختار نواحی مغناطیسی شکسته شده و ماده پارامغناطیسی می‌شود. این رفتار در مواد فرومغناطیس نیز اتفاق می‌افتد به این ترتیب که در این مواد پذیرفتاری مغناطیسی مواد مغناطیسی با افزایش دما به تدریج کاهش می‌یابد تا زمانی که ماده پادفرومغناطیس شود .
پذیرفتاری مغناطیسی این مواد عدد مثبت بسیار کوچک و نزدیک به صفر است. به دمایی که در آن ماده از حالت پادفرومغناطیس به فرومغناطیس گذار می‌کند، دمای نیل می‌گویند.
χ= CT+TN
که C ثابت کوری و TN دمای نیل است.
2-4-2-5 مواد فریمغناطیس
فریمغناطیس شکل خاصی از پادفرومغناطیس است که در آن گشتاورهای مغناطیسی در جهت موازی و عکس یکدیگر قرار گرفته‌اند، اما با یکدیگر برابر نیستند و به صورت کامل یکدیگر را حذف نمی‌کنند. در مقیاس ماکروسکوپی، مواد فریمغناطیس همانند فرومغناطیس بوده و دارای مغناطش خودبه‌خودی در زیر دمای کوری بوده و دارای منحنی پسماند می‌باشند[23و24]. شکل 2-2 فازهای مغناطیسی را نشان می‌دهد.

شکل 2-2 فازهای مغناطیسی، الف) پارامغناطیس، ب) فرومغناطیس، ج) پادفرومغناطیس، د) فری مغناطیس [24].
دو خاصیت مهم و کلیدی مواد مغناطیسی دمای کوری و هیستروسیس مغناطیسی است. جفت شدگی ‏تبادلی و بنابراین انرژی تبادلی هیسنبرگ مستقیماً با دمای کوری ‏‎(Tc)‎‏ مواد فرو و فریمغناطیس در ‏ارتباط است. در کمتر از دمای ‏Tc، ممان مغناطیسی همان جهت بلوروگرافی ویژه‌ی محور صفر این ‏مواد است. این محور در ‏نتیجه‌ی جفت‌شدگی این اسپین الکترون و ممنتوم زاویهای اوربیتال الکترون ایجاد می‌شود.
‏از آنجایی که مواد فرومغناطیسی مواد جالبی بر حسب کاربردهایشان هستند، خواص آن‌ها باید به ‏طور کمی اندازه‌گیری شود و حلقهی پسماند خواص مغناطیسی جالبی را در این مواد آشکار ‏می‌کند. یک حلقه‌ی پسماند را می‌توان با قراردادن نمونه در یک مغناطیس‌سنج و پاسخ ماده ‏‎(M,)‎‏ ‏به میدان مغناطیسی اعمالی ‏‎(H)‎‏ اندازه‌گیری کرد. چندین کمیت ممکن است از روی حلقه‌ی پسماند ‏به‌دست آید. ‏
اشباع مغناطیسی ‏‎(Ms)‎‏ یا اشباع مغناطیسی ویژه (‏s‏) مواردی‌اند که مقدار مغناطیسشدگی را وقتی ‏که همه دوقطبی‌ها در جهت میدان مغناطیسی اعمالی مرتب شده‌اند نشان می‌دهد.‏
مغناطیس باقیمانده ‏‎(Mr)‎‏ مغناطیسشدگی نمونه در میدان مغناطیسی صفر است و نیروی ‏بازدارندگی ‏‎(Hc)‎، نیرویی از میدان مغناطیسی است که برای تغییر مغناطیسشدگی باقیمانده نیاز است. ‏تغییر بایاس میدان ‏‎(HE)‎، مقدار جابجایی از مرکز حلقهی پسماند را نشان می‌دهد.‏
2-4-5 حلقه پسماندوقتی به یک ماده مغناطیسی، میدان مغناطیسی اعمال شود، مغناطش محیط سریع افزایش می‌یابد، با افزایش مقدار میدان اعمالی، شتاب افزایش و مغناطش کاهش می‌یابد، این کاهش شتاب ادامه می‌یابد تا مغناطش به مقدار اشباع خود Ms برسد [25].
تغییرات مغناطش مواد مغناطیسی در هنگام کاهش میدان، از رفتار قبلی خود تبعیت نمی‌کند، بلکه به خاطر ناهمسانگردی مغناطیسی در محیط، مقداری انرژی را در خود ذخیره می‌کنند. بنابراین وقتی میدان اعمالی در محیط صفر شود، مغناطش در ماده صفر نشده و دارای مقدار خاصی است که به آن مغناطش پسماند Mr گفته می‌شود. با کاهش بیشتر میدان به سمت مقادیر منفی، خاصیت مغناطیسی القا شده به تدریج کاهش می‌یابد و با رسیدن شدت میدان به یک مقدار منفی خواص مغناطیسی ماده کاملا از بین می‌رود. این میدان مغناطیس‌زدا را با Hc نشان می‌دهند و به نیروی ضد پسماند یا وادارندگی مغناطیسی معروف است. پسماند یا نیروی وادارنده عبارتست از میدان معکوسی که برای کاهش مغناطش به صفر نیاز است. با کاهش بیشتر شدت میدان، القای مغناطیسی منفی می‌شود و در نهایت به مقادیر اشباع منفی خود می‌تواند برسد. افزایش مجدد شدت میدان به سمت مقادیر مثبت، حلقه پسماند را مطابق شکل 2-3 کامل می‌کند. مغناطیس‌های دائمی غالبا در ربع دوم حلقه پسماند خود، مورد استفاده قرار می‌گیرند [26].

شکل 23 حلقه پسماند ماده فرو مغناطیس [26].
مواد مغناطیسی از نظر رفتار آن‌ها در میدان مغناطیس دو گروه تقسیم می‌شوند:
الف) مواد مغناطیس نرم
مواد مغناطیسی نرم با اعمال میدان مغناطیسی کوچک به راحتی مغناطیده می‌شود و با قطع میدان سریعاً گشتاور مغناطیسی خود را از دست می‌دهند. به عبارتی این مواد دارای نیروی وادارندگی پایین، اشباع مغناطیسی بالا و گشتاور پسماند پایین هستند.
مواد مغناطیس نرم در جاهایی که به تغییر سریع گشتاور مغناطیسی با اعمال میدان مغناطیسی کوچک نیاز است مانند موتورها، حسگرها، القاگرها و فیلترهای صوتی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
ب) مواد مغناطیس سخت
مواد مغناطیس سخت موادی‌اند که به راحتی مواد مغناطیس نرم، مغناطیده نمی‌شوند و به میدان مغناطیسی اعمالی بزرگ‌تری جهت مغناطیده کردن آن‌ها نیاز است. این مواد گشتاور مغناطیسی را تا مدت‌ها پس از قطع میدان حفظ می‌کنند. همچنین دارای اشباع مغناطیسی، گشتاور پسماند و نیروی وادارندگی بالایی هستند. ساخت یا پخت این مواد در میدان مغناطیسی، ناهمسانگردی مغناطیسی را در این مواد افزایش می‌دهد که حرکت دیواره حوزه‌ها را سخت‌تر می‌کند و نیروی وادارندگی را افزایش می‌دهد. این امر می‌تواند تولید مادهی سخت مغناطیسی بهتری را تضمین کند. کاربرد این مواد در آهن‌رباهای دائمی و حافظه‌های مغناطیسی است [26].

شکل 24 حلقه پسماند در مواد فرومغناطیس نرم و سخت[26].
2-5 فریتفریت به آن دسته از مواد مغناطیسی اطلاق می‌شود که جزء اصلی تشکیل دهندهی آن‌ها اکسید آهن است و دارای خاصیت فریمغناطیس می باشند (آرایشی از فرومغناطیس) و پارامترهای مغناطیسی مطلوبی نظیر ضریب نفوذپذیری مغناطیسی بالا از جمله اصلی‌ترین خصیصه‌های آن‌ها به شمار می‌رود. بدین جهت کاربردهای بسیار وسیعی را در زمینه صنایع برق، الکترونیک، مخابرات، کامپیوتر و… به خود اختصاص داده‌اند.
یکی از انواع فریت‌ها نوع اسپینلی آن است، فریت‌های اسپینلی با فرمول عمومی 2-o2+A3+B که در آن 2+A و 3+B به ترتیب کاتیون‌های دو و سه ظرفیتی می‌یاشند.
فریت‌ها دارای خاصیت فریمغناطیس می‌باشند نظم مغناطیسی موجود در فریمغناطیس‌ها ناشی از برهم‌کنش‌های دو قطبی‌های مغناطیسی نیست بلکه ناشی از برهم‌کنش تبادلی است در برهمکنش تبادلی هم‌پوشانی اوربیتال‌های اتمی مد نظر می‌باشد در فریت‌ها برهم‌کنش تبادلی ناشی از هم‌پوشانی الکترون‌های اوربیتال d3 یون‌های A و B و الکترون‌های اوربیتالP 2 یون‌‎های اکسیژن است. و قدرت این بر‌هم‌کنش تبادلی است که خاصیت مغناطیسی نمونه را رقم می‌زند.
2-6 خلاصهدر این فصل به شیمی آئروژل و دو روش بالا به پایین و پایین به بالای تولید نانوذرات اشاره شد. سپس خاصیت مغناطیسی مواد و فاز‌های مغناطیسی ممکن برای مواد مغناطیسی بررسی شد. پس از آن توضیح کوتاهی در مورد حلقهی پسماند و موارد قابل اندازه‌گیری از آن گفته شد و در نهایت مختصری از مواد فریتی بیان گردید.
فصل سومساخت آئروژل و کاربردهای آن19509215088990
مقدمهسیلیکا آئروژل‌ها به دلیل ویژگی‌های منحصر به فرد، هم در علم و هم در تکنولوژی توجه زیادی را به خود اختصاص داده‌اند. آئروژل‌ها از پیشماده مولکولی با روش‌های مختلف و تکنیک‌های خشک کردن متفاوت برای جایگزینی منافذ مایع با گاز همراه با حفظ شبکهی جامد، تهیه می‌شوند. [27]
علی‌رغم تمامی تلاش‌های قابل توجهی که در این زمینه صورت گرفته است، چالش‌های اصلی تحت کنترل عوامل یکنواختی(همگنی)، بارگذاری، اندازه و توزیع نانوذرات در شبکه‌ی میزبان آلی باقی ماندهاست، در عوض این شبکه‌ی میزبان به طور مستقیم ویژگی‌های الکتریکی، نوری، مغناطیسی و کاتالیزوری مواد نانوکامپوزیت را حفظ می‌کند.
3-1 سنتز آئروژل با فرآیند سل-ژلتفاوت در ویژگی‌های شیمیایی پیش‌ماده‌ها برای فاز نانو (معمولاً نمک فلزی) و برای ماتریس آلی (عموماً الکوکسید‌ها) موضوع مهمی هستند، چرا که پارامترهای فرآیند سل-ژل بر روی هیدرولیز و چگالش هر کدام از این پیشماده‌ها تأثیر متفاوتی دارد [28]. هر چند این موضوع مساله‌ی مهمی در طراحی هر نانوکامپوزیت سل-ژل است اما در رابطه با آئروژل‌ها حیاتی‌تر می‌باشد، زیرا نیازمند جایگزین شدن حلال موجود در ژل (معمولاً اتانول یا متانول در الکوژل و آب در آکوژل) با تغییر حلال و در نهایت حذف کردن به وسیلهی استخراج حلال فوق بحرانی است. مرحله خشک کردن فوق بحرانی، بسته به این که الکل یا کربن دی اکسید به صورت فوق بحرانی تخلیه شود (به ترتیب نیازمند حرارتی در حدود 350 و 40 درجهی سانتیگراد است). این مرحله مسائل دیگری درباره حلالیت پیشماده‌ها و پایداری حرارتی در شرایط خشک کردن فوق بحرانی را مطرح می‌کند [29]. استراتژی‌های مختلف اتخاذ شده برای سنتر نانوکامپوزیت‌های آئروژل، بسته به اینکه فاز نانو (یا پیش‌مادهی آن) در حین یا بعد از فرآیند سل-ژل اضافه شود، دو رویکرد کلی دارند.
روش اول شامل هیدرولیز و ژل شدن نانوذرات و ماتریس پیشماده و ژل شدن ماتریس پیش‌ماده به همراه شکل‌گیری نانوذرات است. مزیت این روش تولید موادی با بارگذاری نانوذرات قابل کنترل است. از طرفی، چندین اشکال در مورد آن مطرح است. برای بهدست آوردن ژل دارای چند ترکیب همگن شرایط سنتز باید به صورت دقیق انتخاب شود و پیشماده‌های نانوذرات و همچنین عوامل پوشش دهی موردنیاز در شکل‌گیری نانوذرات کلوئیدی ممکن است بر سنتز سل-ژل ماتریس تأثیر بگذارد.
روش دوم شامل روش‌های مبتنی بر اضافه کردن فاز نانو بعد از فرآیند سل-ژل است و باید ساختار متخلخل و مورفولوژی ماتریس را حفظ کند. این روش‌ها شامل تلقیح فاز نانو با اشباع، ته‌نشینی و روش رسوبگذاری بخار شیمیایی می‌باشد. طرح‌واره روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت آئروژل در شکل 3-1 نشان داده شده است.
هرچند این روشها نیز دارای دو اشکال عمده هستند: یکی همگنی ضعیف ترکیب نانوکامپوزیت تولیدشده، دیگری ترد و شکننده بودن آئروژل‌ها. اتصال فلز در یک ماتریس با گروه‌های هماهنگ اصلاح شده است و غوطه‌ور کردن الکوژل و آکوژل در محلول قبل از خشک کردن فوق بحرانی، به ترتیب به عنوان راهحلهایی برای غلبه بر کاستی‌های گفته شده است. رسوب نانوذرات از فاز بخار، بر خلاف روش‌های تلقیح مرطوب، ماتریس متخلخل را تغییر نمیدهد و تضمین میکند که فاز مهمان در سراسر ماتریس توزیع خواهد شد [30].

شکل 3-1 طرح‌واره‌ای از روش‌های مختلف برای شیمی سنتز نانوکامپوزیت [33].
3-2 شکل‌گیری ژل خیسژل‌های سیلیکا به طور عمومی با هیدرولیز و واکنش چگالش پیشماده سیلیکا به‌دست می‌آیند. ماتریس سیلیکای نهایی متخلخل است و حفره‌های ژل با حلال جانبی هیدرولیز و واکنش پلیمریزه شدن پر شده است. اگر ترکیب محلول بهتواند از ژل خیس بدون سقوط قابل ملاحظه ساختار خارج شود، آئروژل شکل می‌گیرد [31].
روش سل-ژل شامل یک یا چند پیشماده سیلیکون است که متداول‌ترین آن‌ها TEOS و TMOS می‌باشند و داراری چهار گروه الکوکسید شناخته شده در آرایش چهار وجهی در اطراف اتم سیلیکون مرکزی است. واکنش هیدرولیز در چهار جهت اتفاق می‌افتد و منجر به پیوند Si-O-Si می‌شود و یک مادهی کپهای که ترکیبی از 2SiO را می‌دهد. اگر یکی از شاخه‌های الکوکسید اتم سیلیکون توسط گروه عاملی مختلفی که قادر نیست تحت واکنش چگالش قرار گیرد، جایگزین شود گروه عاملی با پیوند کووالانسی به اتم سیلیکون درون ماتریس ژل باقی خواهد ماند. الکوکسیدهای فلزی به راحتی با آب واکنش می‌دهد و بر حسب میزان آب و حضور کاتالیست، عمل هیدرولیز ممکن است کامل انجام شود.
ملکول‌های شکلگرفته آلی-فلزی به مرور زمان بزرگ می‌شوند و به صورت یک ساختار پیوسته در داخل مایع در می‌آیند. این ساختار پیوسته که حالت الاستیک دارد، ژل گفته می‌شود [32].
به طور کلی شکل‌گیری محلول پایدار الکوکسید یا پیشماده‌های فلزی حل شده مرحله اول فرآیند تهیه آئروژل است. این محلول همگن به‌دست آمده در مرحله دوم به علت وجود آب هیدرولیز شده و سل یکنواختی را ایجاد می‌کند. در مرحله سوم واکنش بسپارش ادامه پیدا می‌کند تا سل به ژل تبدیل شود. این مرحله، پیرسازی نیز گفته می‌شود. پس از آن مرحلهی نهایی که خشک کردن است باقی می‌ماند.
3-3 خشک کردن آلکوژلبعد از شکل‌گیری ژل توسط هیدرولیز و واکنش چگالش، شبکه Si-O-Si شکل می‌گیرد. بخش پیرسازی به تشدید شبکه ژل اشاره دارد؛ ممکن است چگالش بیشتر، تجزیه، و ته‌نشینی ذرات سل یا تبدیل فاز داخل فاز جامد یا مایع صورت گیرد. این نتایج در یک جامد متخلخل که حلال در آن گیر افتاده است اتفاق می‌افتد. فرآیند حذف حلال اصلی از ژل (که معمولاً آب و الکل است) را خشککردن می‌گویند. در طول فرآیند خشککردن، ترکخوردگی اتفاق می‌افتد به این دلیل که نیروی مویینگی در گذار مایع-گاز در داخل منافذ ریز وجود دارد. معادله لاپلاس در اینجا به کار می‌رود، هر چه شعاع مویینگی کوچک‌تر باشد، ارتفاع مایع بیشتر و فشار هیدروستاتیک بالاتر خواهد بود. هنگامی که انرژی سطح باعث بالا رفتن ستون مایع داخل مویرگ‌ها می‌شود، مقدار فشار سطحی داخل مویرگ قابل محاسبه است.
قطر حفره در ژل از مرتبهی نانومتر است، به طوری که مایع ژل فشار هیدروستاتیک بالایی را باید اعمال کند. هلال داخل حفره‌ها و نیروهای کشش سطحی سعی می‌کند تا ذرات را به عنوان مایع در حفره‌ها تبخیر کند. این نیروها می‌توانند به گونه‌ای عمل کنند که باعث سقوط حفره و ساختار شوند. بنابراین ژل‌ها با حفره‌های ریز زیاد تمایل به انقباض و ترک خوردن دارند [33]. سل ژلهایی که شیمی سطح آن‌ها اصلاح نشده (شکل3-2) و در شرایط محیط خشک شدند به علت این فروپاشی منافذ تا حدود یک هشتم حجم اولیهی خود کوچک میشوند؛ ماده حاصل زیروژل نامیده میشود. اگر این فرآیند خشککردن به آرامی رخ دهد، زیروژل یکپارچه سالم میتواند تولید شود. اما برای تولید یک آئروژل، باید از عبور از مرز فاز بخار-مایع اجتناب کرد.

شکل 3-2 اصلاح شیمی سطح ژل [34].
روشهای کنونی برای پرهیز از فروپاشی منافذ درساخت آئروژل را میتوان در سه تکنیک کلی دستهبندی کرد. هرکدام از این تکنیکها طراحی شدهاند تا نیروهای مویینگی ناشی از اثرات کشش سطحی را کاسته و یا حذف نمایند. این تکنیکها الف) خشک کردن در شرایط محیط پس از اصلاح سطح، ب) خشک کردن انجمادی و ج) خشک کردن فوق بحرانی است [34]. توضیح کلی درباره هرکدام از این تکنیکها در ادامه آمده است.
3-3-1 فرآیند‌های خشککردن در شرایط محیطاین تکنیکهای خشک کردن طراحی شدهاند تا ژل خیس را در فشار محیط خشک کنند. این روشها نیازمند فرآیندهای شیمیایی با تعویض طولانی مدت حلال برای کاهش نیروهای مویینگی وارد بر نانوساختار یا برای افزایش توانایی نانوساختار در تحمل این نیروهاست (یا با قویتر کردن ساختار و یا با منعطف‌تر ساختن آن). تغییر شیمی سطح ژل خیس بر پایه TEOS برای ارتقاع انقباض قابل برگشت با استفاده از تبادل حلال با هگزان به وسیله اصلاح سطح با فرآیند کاهش گروه سیلانولی با TMCS [35و36]. همچنین استفاده از پیری ژل در محلول الکل یا الکوکسید برای سفت شدن میکرو ساختار به منظور جلوگیری از فروپاشی منافذ است [37]. به علاوه ترکیبکردن شاخه‌های متقاطع سیلیکا آئروژل است که می‌تواند نیروهای مویینگی در حین خشک کردن تحت فشار محیط را تحمل نماید [38].
3-3-2 خشککردن انجمادیخشککردن انجمادی یک ژل خیس منجر به تولید کریوژل میشود. خشککردن انجمادی باعث تولید پودر آئروژل کدر می‌شود [39]. این تکنیک حلال اضافی را با تصعید حذف میکند. ژل خیس منجمد میشود و سپس حلال در فشار پایین تصعید میشود [40]. میکروبلور‌های منجمد که حین فرآیند خشککردن انجمادی شکل می‌گیرند منجر به آئروژل‌های ماکروحفره‌تری در مقایسه با روش استخراج فوق بحرانی میشوند [41].
3-3-3 خشک کردن فوق بحرانیروشهای استخراج فوق بحرانی از مرز بین مایع و بخار با بردن حلال به بالاتر از نقطه فوق بحرانی آن اجتناب می‌کند و سپس از ماتریس سل-ژل به عنوان یک مایع فوق بحرانی حذف می‌شود. در این حالت هیچ مرز مایع-بخاری وجود ندارد، بنابراین هیچ فشار مویینگی دیده نمی‌شود. شکل 3-3 چرخه فشار-دما در طول فرآیند فوق بحرانی را نشان می‌دهد. در عمل انواع متعددی از روشهای استخراج فوق بحرانی وجود دارد که شامل تکنیک‌هایی با دمای بالا، دمای پایین و سریع است.

شکل 3-3 چرخه فشار-دما در حین فرآیند خشک کردن فوق بحرانی [42].
تکنیک‌های استخراج فوق بحرانی الکل دمای بالا، ژل خیس را به حالت فوق بحرانی حلال (معمولاً متانول یا اتانول) در یک اتوکلاو و یا هر مخزن فشار دیگری می‌برد. این مستلزم فشارهای بالا حدود Mpa 8 و دماهای بالا حدود 260 درجهی سانتیگراد می‌باشد [42]. شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشککن فوق بحرانی اتوکلاو را نشان می‌دهد.

شکل 3-4 شماتیکی از دستگاه خشک کن فوق بحرانی اتوکلاو [42].
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی دمای پایین بر اساس استخراج 2CO است که دمای نقطه بحرانی پایین‌تری نسبت به مخلوط الکل باقیمانده در منافذ سل-ژل بعد از پلیمریزاسیون دارد. این روش به تبادل حلال به طور سری نیازمند است، ابتدا حلال غیرقطبی و سپس با کربن دیاکسید مایع پیش از استخراج فوق بحرانی که می‌تواند در نقطه فوق بحرانی 2CO اتفاق بیافتد [43]. مزایای این تکنیک دمای بحرانی پایین‌تر و حلال پایدارتر است؛ هرچند مراحل اضافه شده به فرآیند سبب طولانی‌تر شدن زمان آمادهسازی آئروژل می‌شود. از آنجائیکه فشار بحرانی مورد نیاز نسبت به روشهای فوق بحرانی دما بالا تغییری چندانی ندارد (فشار بحرانی 2CO مشابه متانول و اتانول است)، این فرآیند نیز نیاز به استفاده از مخازن فشار دارد. به علاوه روند انتشار تبادل حلال وابسته به اندازهی ژل است.
تکنیکهای استخراج فوق بحرانی سریع از یک قالب محدود استفاده می‌کند، چه در مخزن فشار و چه در یک فشار داغ هیدرولیک قرار بگیرند. این تکنیکها فرآیندهای تک مرحله‌ای پیش‌ماده به آئروژل هستند و آئروژل را در کمتر از 3 ساعت بهدست می‌آورند. در این روش پیشماده‌های شیمیایی مایع و کاتالیست در یک قالب دو قسمتی ریخته می‌شوند سپس به سرعت گرم می‌شوند [44]. در ابتدا فشار با بستن دو بخش قالب با هم یا با اعمال فشار هیدروستاتیکی خارجی به جای مخازن فشار بزرگ‌تر یا با ترکیبی از این دو تنظیم می‌شود. زمانیکه نقطه فوق بحرانی الکل فرارسید، اجازه داده میشود تا مایع فوق بحرانی خارج شود [45]. برای مثال گوتیه و همکارانش [46] در روند انجام این فرآیند از یک فشار داغ هیدرولیکی برای مهروموم کردن و گرم کردن قالب حاوی مخلوط پیشماده آئروژل استفاده کردند. مخلوط مایع از پیشماده‌های آئروژل در یک قالب فلزی ریخته شد و سپس در فشار داغ قرار گرفت. در طول اجرا، فشار داغ برای مهروموم کردن ترکیب به جای قالب استفاده شد و یک نیروی باز دارندهی فشاری را فراهم کرد. سپس قالب و مخلوط به بالای دما و فشار فوق بحرانی متانول برده شد. در مدت زمان این فرآیند گرم کردن، پیشمادههای آئروژل واکنش نشان داده و یک ژل خیس نانوساختاری متخلخل را تشکیل داد. زمانیکه به حالت بحرانی رسید، فشار کاهش داده شد و مایع فوق بحرانی رها شد.
3-3-4 مقایسه روش‌هاهر یک از روش‌های ساخت آئروژل شرح داده شده در بالا، نقاط قوت و محدودیت‌هایی دارند. مقایسه مستقیم تکنیک‌های مختلف خشک کردن به علت دستورالعمل‌های پیشماده متفاوت، شرایط ژل شدن مختلف، و زمان پیر سازی، به خوبی روش‌های استخراج متفاوت هستند. برای مثال خشککردن فوق بحرانی دما پایین نیاز به زمان پیرسازی کافی دارد، به طوری که ژل‌ها می‌توانند از ظرف اولیه برای استخراج و تبادل حلال خارج شوند.
در فرآیند خشککردن سریع، عموما زمان پیرسازی کوتاه است؛ گرچه، دمای بالا در این فرآیند اثر مشخصی را روی روند واکنش چگالش دارد.
مزیت اصلی تکنیک‌های خشک کردن در فشار محیط، عدم نیاز به تجهیزات فشار بالا می باشد که گران قیمت و به طور بالقوه خطرناک است؛ اگرچه به مراحل پردازش چندگانه با تبادل حلال نیاز دارند. تا به حال مطالعات اندکی در رابطه با استفاده از روش‌های خشککردن انجمادی شده است. این تکنیک‌ها نیاز به تجهیزات خاصی برای رسیدن به دمای پایین لازم برای تصعید حلال و منجر شدن به پودر آئروژل، دارند.
محدودیت اصلی تکنیکهای فوق بحرانی دما بالا، رسیدن به دماهای بالای مورد نیاز برای دست یافتن به نقطه بحرانی حلال الکل و نیز ملاحظات ایمنی در بکار بردن مخزن فشار در این شرایط است.
روش استخراج دما پایین به طور گسترده در تولید آئروژل‌های یکپارچه کوچک تا بسیار بزرگ استفاده شده است، اگرچه می‌تواند روزها تا هفته‌ها تولید آن طول بکشد و مراحل چندگانه تبادل حلال مورد نیاز، آن را تبدیل به فرآیندی پیچیده کند و اتلاف قابل ملاحظه‌ای از حلال و 2CO ایجاد می‌کند. تکنیک‌های خشککردن سریع ساده‌تر و سریع‌تر است. تمامی فرآیند، بر خلاف مراحل چندگانه و مقیاس‌های زمانی در ابعاد روزها و ماهها در سایر روش‌ها، در یک مرحله انجام شده و می‌تواند در چند ساعت تکمیل شود. همچنین این روش‌ها اتلاف کمتری را به وجود می‌آورند. یک ایراد روش‌های خشککردن سریع، نیاز به دما و فشار بالاست [47].
3-4 مروری بر کارهای انجام شدهاگرچه میدانیم که این گزارش‌های جامعی از مقالات مرتبط با نانوکامپوزیت‌های آئروژل نیست، اما تأکید بر این مطلب است که چگونه ترکیب نانوذرات ممکن است احتمال استفاده از آئروژل‌ها را به عنوان مواد جدید افزایش دهد و چگونه مسیر آماده سازی مورد اطمینان برای به‌دست آوردن نانوکامپوزیت‌های آئروژل برای کاربرد خاص را انتخاب نماییم.
پس از آنکه کیستلر در سال 1931 برای اولین بار بدون درهم شکستن ساختار ژل، فاز مایع را از آن جدا کرد، در سال 1938 به مطالعه روی رسانایی گرمایی آئروژل و در سال 1943 درباره سطح ویژه آن‌ها به مطالعه پرداخت [48]. بعد از آن حدود نیمقرن دانشمندان علاقه‌ای به آئروژل‌ها نشان ندادند تا در اویل 1980 آئروژل به عرصه پژوهش بازگشت.
در سال 1992تیلسون و هاربش از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا ژل استفاده کردند و از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای مشخصه‌یابی آن‌ها استفاده نمودند [49] و سپس هر ساله تحقیقات زیادی روی آئروژل‌ها صورت می‌گیرد.
در سال 2001 کاساس و همکارانش نانوکامپوزیت مغناطیسی را با ورود ذرات اکسید آهن در سیلیکا آئروژل میزبان سنتز کردند. این سنتز که به روش سل-ژل و با خشککردن فوق بحرانی متانول انجام شد، دو نمک آهن استفاده شد: O2H9.(3ON)Fe و O2H2.(EDTA)FeNa. در این پژوهش ارتباط واضحی بین پیشماده، آب و تخلخل و سطح ویژه آئروژل حاصل وجود داشت. استفاده از ترکیب EDTA به عنوان پیش‌مادهی نانوذرات، قطر میانگین حفره‌ها را افزایش داد، گرچه قابلیت حل پایین نمک EDTA در محلول یک مانع بزرگ برای رسیدن به آهن در این روش بود. مساحت سطح ویژه‌ی نمونه‌های کاساس بین /g2m 200 و /g2m 619 بهدست آمد و برخی نمونه‌ها رفتار پارامغناطیس و برخی دیگر رفتار مغناطیس نرم از خود نشان دادند [50].
در سال 2002 واگنر و همکارانش ذرات سیلیکا با هستهی مغناطیسی را با روش ته‌نشینی به‌دست آوردند [51]. و چند سال بعد در سال 2006 ژانگ و همکارانش ذرات پوسته‌ای هسته‌دار را با روش سل-ژل تهیه کردند. این ذرات شامل هستهی مغناطیسی فریت کبالت و پوستهی سیلیکا بودند که از TEOS به عنوان پیشمادهی سیلیکا استفاده کردند. پس از آنکه ژل‌ها به‌دست آمدند، در 110 درجهی سانتیگراد برای 4 ساعت در خلاء خشک شدند زیرا اگر در هوا خشک شوند احتمال ته‌نشینی بلور‌های اکسید وجود داشت. سپس به مدت 2 ساعت در دماهای مختلف برای به‌دست آوردن نانو بلور پراکنده در ماتریس سیلیکا حرارت داده شد. برای نمونه‌ی آن‌ها شکل‌گیری فاز فریت کبالت در دمای 800 درجهی سانتیگرادکامل شد و خوشه‌های فریت کبالت به سمت نانو بلوری شدن پیش رفتند، زمانی که برهم‌کنش بین خوشه‌های فریت کبالت با ماتریس سیلیکا شکسته شد پیوندهای Si-O-Fe ناپدید شدند. بر طبق گزارش آن‌ها اشباع مغناطیسی نانوکامپوزیت‌ها با افزایش غلظت بیشتر فریت در ماتریس افزایش یافت تا مقدار بیشینه emu/g 98/66 برای نمونه با نسبت مولی 1:1 (wt% 80 فریت کبالت) به‌دست آمد [52].
سیلوا و همکارانش در سال 2007 کامپوزیت ذرات فریت کبالت پخش شده در ماتریس سیلیکا را به روش سل-ژل تهیه کردند. آن‌ها از TEOS به عنوان پیشماده سیلیکا و از نیترات به عنوان پیش‌ماده فریت استفاده کردند. پس از گذشت زمان پیرسازی، نمونه برای 12 ساعت در 110 درجهی سانتیگراد خشک شدند و ذرات فریت کبالت در ماتریس سیلیکا شکل گرفتند. پس از آن عملیات حرارتی برای 2 ساعت در دماهای 300، 500، 700 و 900 درجهی سانتیگراد انجام شد که باعث افزایش در اندازهی ذرات شد. رسوب ذرات خوشه‌ای فریت در دیواره‌های منافذ زیروژل با افزایش دما بیشتر شد و در دماهای بالاتر از 700 درجهی سانتیگراد بلورهای بزرگ‌تر کبالت داخل منافذ ماتریس شکل گرفتند و افزایش در مغناطش اشباع و پسماند مغناطیسی را باعث شدند [53].
در همان سال فرناندز و همکارانش نانو کامپوزیت سیلیکا آئروژل/ آهن اکسید را با فرآیند سل-ژل و تبخیر فوق بحرانی حلال سنتز کردند. آن‌ها نمونه‌ها با پیشماده‌های TEOS و TMOS را با تبخیر فوق بحرانی اتانول و متانول خشک کردند. ذرات مغناطیسی با اندازهی متوسط nm 6 با TEOS و متانول سنتز شدند در حالی که فری‌هیدرات‌ها از TMOS و اتانول به‌دست آمدند. بعضی نمونه‌های آن‌ها رفتار ابر پارامغناطیس از خود نشان دادند [54].
دو سال بعد ژنفا زی و همکارانش نانوذرات فریت کبالت را به روش هم‌نهشت شیمیایی و خشک شدن در هوا در دمای80 درجهی سانتیگراد تهیه کردند. اندازهی قطر نانوذرات سنتز شده nm 20 تا nm 30 بود و دمای کوری در فرآیند افزایش دما کمتر از فرآیند کاهش دما بود. مقدار اشباع مغناطیسی این ذرات emu/g 77/61 بهدست آمد که نسبت که مقدار کپه آن کوچک‌تر بود. در این پژوهش مقدار پایین نیروی وادارندگی به دو دلیل اتفاق می‌افتد: ذرات فریت ممکن است ساختار چند دامنه داشته باشند. شکل‌گیری چند دامنه‌ها و حرکت دیوارهای دامنه می‌تواند کاهش دامنه را نتیجه دهد. همچنین اگر اندازهی بحرانی ذرات [55] بهدست آمده بزرگ‌تر از قطر میانگین ذرات باشد، رفتار تک دامنه را از خود نشان می‌دهند. آن‌ها گزارش کردند که کاهش وادارندگی نمونه‌ها به رفتار وابسته به اندازهی ذرات بستگی دارد [56].
بلازینسکی و همکارانش در پژوهشی که در سال 2013 انجام دادند، سیلیکا آئروژل را با روش سل-ژل و فرآیند فوق بحرانی تهیه کردند. آن‌ها دریافتند که روش خشک کردن فوق بحرانی مؤثرترین روش برای بهدست آوردن بهترین ویژگی این محصولات است. بدین منظور آن‌ها دستگاه خشک کن فوق بحرانی را برای خود ساختند که فشار و دما به طور دستی تنظیم می‌شد و مرحله مهم در آمادهسازی سیلیکا آئروژل‌ها بود. به این ترتیب آن‌ها سیلیکا آئروژل‌های شفاف با مساحت سطح ویژه بالا به‌دست آوردند [57].
در گزارشی دیگر در سال 2014 ساجیا و همکارانش پودر آمورف فریت کبالت را به روش سل-ژل تهیه کردند و این روش را بهترین روش تهیه نانوذرات عنوان کردند. آن‌ها دریافتند که عملیات حرارتی برای تجزیه کامل مقدار مواد آلی و نیترات حاضر در پودر آمورف لازم است. در این فرآیند برای جلوگیری از ته‌نشینی یا رسوبگذاری این واکنش اسید سیتریک به آن اضافه کردند و سپس مراحل خشک کردن و عملیات حرارتی انجام شد. پارامترهای عملیات حرارتی، مرحله نهایی در آماده‌سازی نانوذرات فریت کبالت بودند که بررسی شدند. ساختار اسپینل در همهی نمونه‌های آن‌ها شکل گرفته بود و هنگامی که ذرات شروع به رشد کردند ناخالصی‌ها حذف شد. ویژگی مغناطیسی مرتبط با رفتار فریمغناطیس این نمونه‌ها مقدار emu/g 62 برای اشباع مغناطیسی را نشان می‌دهد [58].
در جدیدترین پژوهشی که دربارهی آمادهسازی و ارزیابی نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/فریت در سال 2014 صورت گرفته است، کاتاگر و همکارانش نانوذرات فریت را به روش ته‌نشینی آماده کردند و سپس TMOS را به آن اضافه نمودند. برای این کار آن‌ها O2H6. 2NiCl، O2H6. 3FeCl و 2ZnCl را با اضافه کردن آب مقطر حل کردند. PH محلول در رفلاکس 110 درجهی سانتیگراد به مدت 24 ساعت 13 تنظیم شده بود. با حذف NaOH که برای PH اضافه شده بود، و شستن مکرر با آب مقطر و اتانول نانوذرات نتیجه شدند. بعد از بهدست آمدن نانوذرات به طور مستقیم به TMOS اضافه شدند و 3NH و آب دیونیزه به عنوان کاتالیست برای تهیه سل همگن اضافه گردیدند. برای مرحله پیر سازی قالب‌های حاوی سل را در اتانول به مدت 2 ساعت و دمای 50 درجهی سانتیگراد پیرسازی کردند و در نهایت ژل خیس را با خشک کردن فوق بحرانی کربن دی اکسید بهدست آوردند. تحقیقات آن‌ها نشان داد که زمان ژل شدن با افزایش نسبت مولی اتانول/TMOS افزایش یافت. همچنین به دلیل کشش سطحی اتانول، نمونه‌ها منقبض می‌شوند یا ترک می‌خورند. نانوکامپوزیت به‌دست آمده ساختار اسکلت شبکه‌ی سه بعدی را حفظ کرد. مساحت سطح ویژه با افزایش مقدار فریت از /g2m 700 تا /g2m 300 تغییر کرد. به علاوه ویژگی مغناطیسی فریت در ساختار نانو کامپوزیت تغییر نکرد [59].
3-5 برخی از کاربردهای آئروژل3-5-1 آئروژل‌ها به عنوان کامپوزیتهمانطور که پیشمادهی الکوکسید سیلیکون برای شکل‌گیری شبکه‌ی ژل با اکسیدهای فلزی دیگر به اندازه‌ی کافی واکنشی است، مطالعات زیادی در زمینه سنتز سیلیکا آئروژل برای کاربردهای مختلف صورت گرفته است [1].
3-5-2 آئروژل‌ها به عنوان جاذبآئروژل‌های فوق آبگریز و انعطافپذیر برای در جذب حلال‌های معدنی و روغن‌ها سنتز شدند. ونکاتشوارا رائو و همکارانش چگالی جذب و واجذب سیلیکا آئروژل‌های فوق آبگریز را با استفاده از یازده حلال و سه روغن بررسی کردند [60].
3-5-3 آئروژل‌ها به عنوان حسگرآئروژل‌ها تخلخل بالا، حفره‌های در دسترس، و سطح در معرض بالا دارند. از این رو کاندیداهای خوبی برای استفاده به عنوان حسگر هستند.بر اساس مطالعه وانگ و همکارانش روی آئروژل لایه‌ی نازک نانوذرات سیلیکا آئروژل نشان داد که مقاومت الکتریکی به طور قابل ملاحظه‌ای با افزایش رطوبت کاهش یافت. زیروژل همان مواد حساسیت کم‌تری را نشان داد. آئروژل‌هایی که اصلاح سطح شدند در مقایسه با آئروژل‌های آب‌گریز کمتر تحت تأثیر رطوبت قرار گرفتند و می‌توانند به عنوان ضد زنگ و عوامل آب‌گریز مورد استفاده قرار بگیرند [61].
چن و همکارش آئروژل‌هایی را برای کاربرد حسگرهای زیستی مطالعه کردند. در مطالعه آن‌ها، آئروژل‌های مزوحفره به وسیله پلیمریزاسیون سل-ژل با یک مایع یونی به عنوان حلال تهیه کردند. نتایج نشان می‌دهدکه آئروژل آماده شده می‌تواند به عنوان یک بسترشناسایی برای اسید نوکلوئیدها به کار رود [62].
3-5-4 آئروژل به عنوان مواد با ثابت دی الکتریک پایینلایه نازک‌های آئروژل 2SiO توجه خاصی را به خود اختصاص داد، به دلیل ثابت دی الکتریک خیلی پایین، تخلخل و پایداری حرارتی بالا. پارک و همکارانش لایه نازک سیلیکا آئروژل را برای لایهی داخلی دی الکتریک مورد بررسی قرار دادند و ثابت دی الکتریک را تقریبا 9/1 اندازه‌گیری کردند. آن‌ها ثابت دی الکتریک بسیار پایین فیلم‌های آئروژل را برای لایهی داخلی مواد دی الکتریک تولید کردند. فیلم های سیلیکا آئروژل به ضخامت Å 9500، % 5/79 تخلخل، و ثابت دی الکتریک پایین 2 با روش فرآیند خشک کردن محیط با استفاده از n-هپتان به عنوان حلال خشک کن به‌دست آوردند [63].
3-5-5 آئروژل به عنوان کاتالیزورمساحت سطح ویژه‌ی بالای آئروژل‌ها منجر به کاربردهای زیادی می‌شود، از جمله جاذب شیمیایی برای پاکسازی نشتی. این ویژگی کاربرد زیادی را به عنوان کاتالیزور یا حامل کاتالیزور به همراه دارد. آئروژل‌ها در کاتالیست‌های همگن مناسب هستند، زمانی که واکنش‌دهنده‌ها هم در فاز مایع و هم در فاز گاز هستند [27].
3-5-6 آئروژل به عنوان ذخیره سازیتخلخل بالا و مساحت سطح زیاد سیلیکا آئروژل‌ها می‌تواند برای کاربردهایی مثل فیلترهای گازی، جذب رسانهای برای کنترل اتلاف، محصور سازی، ذخیره سوخت هیدروژن به کار رود. آئروژل‌ها می‌توانند در مقابل تنش گذار مایع/گاز مقاومت کنند زیرا بافت آنها در طول پخت تقویت شد به عنوان مثال در ذخیره سازی، انتقال مایعات چون سوخت موشک‌ها کار برد دارد. به علاوه وزن پایین آئروژل‌ها بزرگ‌ترین مزیت است که در سیستم حمل دارو به دلیل ویژگی زیست سازگار آن‌ها مورد استفاده است [64]. کربن آئروژل‌ها در ساخت الکتروشیمی ابر خازن دو لایه کوچک استفاده شد. ابر خازن‌های آئروژل مقاومت ظاهری پایینی در مقایسه با ابر خازن‌های معمولی دارد و می‌تواند جریان بالا را تولید یا جذب کند.
3-5-7 آئروژل‌ها به عنوان قالبفیلم‌های سیلیکا آئروژل برای سلول‌های خورشیدی رنگ حساس استفاده شدند. مساحت سطح ویژه‌ی فیلم‌های آئروژل روی فیلم‌های شیشه‌ای رسانا تهیه شدند. نشست لایه اتمی برای پوشش قالب آئروژل با ضخامت‌های مختلف 2TiO با دقت کمتر از نانومتر انجام شد. غشاء آئروژل پوشش داده شده با 2TiO در سلول خورشیدی رنگ حساس گنجانیده شد. طول نفوذ شارژ با افزایش ضخامت 2TiO افزایش یافت که منجر به افزایش جریان شد [65].
3-5-8 آئروژل به عنوان عایق گرماجدای از تخلخل بالا و چگالی پایین یکی از جذاب‌ترین ویژگی‌های آئروژل رسانندگی گرمایی پایین آن‌ها است، علاوه بر این، از یک شبکه‌ی سه بعدی با ذرات ریز متصل شده تشکیل شده‌اند. بنابراین انتقال گرما از میان بخش جامد آئروژل‌ها از طریق مسیر پر پیچ و خمی است. فضای اشغال نشده در یک جامد توسط آئروژل به طور معمول با هوا پر شده مگر آن که تحت خلاء مهروموم شده باشد. این گازها می‌توانند انرژی حرارتی را از طریق آئروژل انتقال دهند. حفره‌های آئروژل باز هستند و اجازه عبور گاز از میان مواد را می‌دهند [27].
3-5-9 آئروژل‌ها در کاربرد فضاییناسا از آئروژل‌ها برای به دام انداختن ذرات گرد و غبار روی فضاپیما استفاده کرد. ذرات در برخورد با جامد اسیر شده، گازها تبخیر می‌شوند و ذرات در آئروژل به دام می‌افتند [27].
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را به طور مختصر نشان می‌دهد.
3-6 خلاصهدر این فصل پس از مقدمه‌ی کوتاه، اندکی در مورد سنتز آئروژل با روش سل-ژل گفته شد. پس از آن فرآیند‌های لازم برای شکل‌گیری ژل بیان شد و سپس تکنیک‌های مختلف خشک کردن و شرایط لازم برای این کار با مختصری توضیح نوشته شد. بعد مروری کوتاه به برخی از تلاش‌های انجام شده در این زمینه داشتیم و در آخر برخی از کاربردهای مختلف آئروژل‌ها را با ذکر مثال درج شد.
جدول 3-1 کاربردهای مختلف آئروژل‌ها [27].
خاصیت ویژگی کاربرد
رسانایی الکتریکی بهترین جامد عایق
شفاف
مقاومت در برابر درجه حرارت بالا
سبک ساخت و ساز ساختمآن‌ها و عایقبندی لوازم خانگی
ذخیره سازی
ماشین، وسیله نقلیه فضایی
دستگاه‌های خورشیدی
چگالی/تخلخل سبک‌ترین جامد مصنوعی
سطح ویژه_ی بالا
کامپوزیت‌های چندگانه کاتالیزور
حسگر
ذخیرهی سوخت
تبادل یون
فیلترهای آلاینده‌های گازی
اهداف ICF
حامل رنگ‌دانه
قالب
اپتیکی شفافیت
شاخص بازتاب پایین
کامپوزیت‌های چندگانه اپتیک سبک وزن
آشکارسازهای چرنکوف
راهنماهای نوری
عایق صوتی سرعت صوت پایین اتاق‌های ضد صدا
تطبیق مقاومت ظاهری صوتی در التراسونیک
مکانیکی الاستیک
سبک جاذب انرژی
تله برای ذرات سرعت بالا
الکتریکی ثابت دی الکتریک پایین
قدرت دی الکتریک بالا
سطح ویژهی بالا دی الکتریک برای ICها
جدا کنندهی الکترودهای خلا
خازن
فصل چهارمسنتز و بررسی ویژگی‌های نانوکامپوزیت سیلیکا آئروژل/نانوذرات فریت کبالت21434265186580مقدمهآئروژل‌ها کاندیدا‌های ایدهآلی برای طراحی نانوکامپوزیت‌های کاربردی تقویت شده با نانوذرات فلزی یا اکسید فلزی هستند. مساحت سطح ویژهی بالا با ساختار حفره‌ای، آئروژل‌ها را قادر می‌سازد تا به طور موثری میزبان نانوذرات ریز پراکندهشده باشند و این اطمینان را می‌دهد که نانوذرات در دسترس هستند.
راه گسترش آئروژل‌های کاربردی برای تهیهی مواد کاربردی خلاق از طریق طراحی نانوکامپوزیت‌ها است، به طوری که نانوذرات فلز یا اکسید فلز به داخل ماتریس آئروژل الحاق می‌شوند. با توجه به گسترش محدوده و قابلیت زیستی آئروژل‌ها، تهیه این نانوکامپوزیت‌ها برای جلوگیری از تجمع نانوبلورها و رشد از طریق ذرات بستر برای یک کاربرد خاص را فراهم می‌کند.