常藝瀟，田淑嬌，張日如，周悅，彭秀媛

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院信息研究所，遼寧沈陽 110161）

計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）是建立在經(jīng)典流體動力學(xué)與數(shù)值計算方法基礎(chǔ)之上的一門新型學(xué)科[1]。它是在流動基本方程（質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程）控制下對流體流動的數(shù)值模擬，把原來在時間域或空間域上連續(xù)的物理量的場用一系列有限個離散點(diǎn)上的變量值的集合來代替，通過一定的法則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，然后求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值。通過這種模擬可以得到極其復(fù)雜問題的流場內(nèi)各個位置上的基本物理量如速度、壓力、溫度、濃度等的分布，以及這些物理量隨時間的變化情況[2]。計算流體動力學(xué)是目前國內(nèi)外進(jìn)行傳熱、傳質(zhì)、動量傳遞及燃燒、多相流和化學(xué)反應(yīng)研究的核心和重要技術(shù)，廣泛應(yīng)用于航天設(shè)計、汽車設(shè)計、生物醫(yī)學(xué)工業(yè)、化工處理工業(yè)、渦輪機(jī)設(shè)計、半導(dǎo)體設(shè)計等諸多工程領(lǐng)域。近年來，在評估溫室、畜舍和飼料儲存設(shè)施內(nèi)的空氣質(zhì)量、輔助生產(chǎn)者優(yōu)化生產(chǎn)可再生能源系統(tǒng)、分析噴灑農(nóng)藥的漂移模式，以及分析農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)施排放的粉塵和有毒氣體的擴(kuò)散等方面研究較多[3]，也可見就具體應(yīng)用主題開展的綜述研究[4-5]。但未見采用科學(xué)知識圖譜方法進(jìn)行主題領(lǐng)域研究現(xiàn)狀、熱點(diǎn)和前沿等可視化分析。因此該文通過檢索分析Web of science 數(shù)據(jù)庫中CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究方面的文獻(xiàn)，采用科學(xué)圖譜和文獻(xiàn)計量分析法，運(yùn)用VOSviewer 工具對CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用研究方面的總體研究趨勢、國家、研究機(jī)構(gòu)、期刊、研究主題、研究熱點(diǎn)等方面進(jìn)行科學(xué)知識圖譜分析，以期更好地展示CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究整體發(fā)展態(tài)勢，為相關(guān)研究的進(jìn)一步發(fā)展，以及相關(guān)研究者決策提供科學(xué)結(jié)論支撐。

1 研究方法和數(shù)據(jù)來源

1.1 研究方法

該文運(yùn)用科學(xué)知識圖譜法和文獻(xiàn)計量分析法對檢索到的文獻(xiàn)進(jìn)行分析?？茖W(xué)知識圖譜是一種通過數(shù)據(jù)挖掘、科學(xué)計量、信息分析以及圖形繪制等多種手段，對某一研究領(lǐng)域進(jìn)行可視化分析的方法[6]。文獻(xiàn)計量分析法是一種通過對科技文獻(xiàn)的出版和利用活動進(jìn)行統(tǒng)計分析，對科學(xué)研究或科技信息傳播活動及規(guī)律進(jìn)行定性或定量評價的方法，其目的在于探索科學(xué)研究或科技傳播的客觀規(guī)律，分析其優(yōu)劣程度，反映其內(nèi)在聯(lián)系，預(yù)測其發(fā)展趨勢，是對文獻(xiàn)進(jìn)行專題研究的有效工具[7]。

1.2 數(shù)據(jù)來源

該文以Web of Science 核心合集數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)源進(jìn)行主題檢索，采用主題檢索方式，文獻(xiàn)類型為Article 和Review，檢索時間跨度為1997—2022 年，檢索時間為2022年11 月5 日，文獻(xiàn)語言不限。鑒于該主題涉及的術(shù)語較多，經(jīng)過反復(fù)開展檢索和檢索結(jié)果分析工作，得到498 篇文獻(xiàn)作為最終分析數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 總體發(fā)文趨勢分析

分析發(fā)文量隨年份的變化可在一定程度上表明CFD在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的發(fā)展趨勢。通過對文獻(xiàn)進(jìn)行統(tǒng)計分析，可知在2007 年以前該領(lǐng)域全球年均發(fā)文量較少（10 篇以下）；2007—2016 年該領(lǐng)域文獻(xiàn)發(fā)表量呈波動增長狀態(tài)，年均發(fā)文量14 篇，表明該時期該領(lǐng)域研究逐漸被關(guān)注；2017 年及以后該領(lǐng)域研究文獻(xiàn)發(fā)表量呈快速增長狀態(tài)，表明該時期該領(lǐng)域研究已逐步受到廣泛關(guān)注。全球該領(lǐng)域研究文獻(xiàn)數(shù)量的快速增長得益于中國學(xué)者對CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的關(guān)注。1997—2011 年國內(nèi)學(xué)者在該領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)發(fā)文量年均不足1 篇，該時期研究者較少；經(jīng)過2012—2016 年的緩慢增長后，2017 年后國內(nèi)該領(lǐng)域發(fā)文量與全球發(fā)文量增長速度同步，進(jìn)入快速增長期（圖1）。

圖1 CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究的總體發(fā)文趨勢

2.2 國家發(fā)文及國家合作分析

通過分析檢索文獻(xiàn)可知，全球有63 個國家開展了該領(lǐng)域的研究，受到世界各國學(xué)者的關(guān)注。通過分析該領(lǐng)域總發(fā)文量前十的國家可知，中國的總發(fā)文量最多，為126篇，占全球總發(fā)文量的25.3%；美國總發(fā)文量次之，為65篇，占全球總發(fā)文量的13.05%；法國、韓國、西班牙的總發(fā)文量相較中國與美國差距較大。中國總發(fā)文量與總被引次數(shù)排名均靠前，但篇均被引次數(shù)排名較低，與該指標(biāo)最高的法國相比，一定程度上表明我國該領(lǐng)域發(fā)文質(zhì)量有待提升（表1）。

表1 國家發(fā)文量分析

運(yùn)用VOSviewer 工具對發(fā)文國家進(jìn)行共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析，形成國家共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析圖譜，以掌握不同國家在該領(lǐng)域的合作研究關(guān)系（圖2）。圖中節(jié)點(diǎn)代表不同合作國家，節(jié)點(diǎn)的大小反映了各國家總發(fā)文量的多少，不同顏色區(qū)分節(jié)點(diǎn)所屬的集群，連線的粗細(xì)表示不同國家間的合作緊密程度[9]。圖中共有40 個節(jié)點(diǎn)，均為總發(fā)文量≥2 篇的國家。通過觀察集群分布情況可知，該領(lǐng)域內(nèi)形成以中國、西班牙、哥倫比亞、日本為首的四大國家合作集群，中國與美國間的合作較為緊密，表明該領(lǐng)域的合作研究以農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力較強(qiáng)的國家為主。

圖2 國家共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析圖譜

2.3 機(jī)構(gòu)發(fā)文及機(jī)構(gòu)合作分析

通過分析檢索文獻(xiàn)可知，該領(lǐng)域共有642 家研究機(jī)構(gòu)發(fā)表了研究文獻(xiàn)，根據(jù)總發(fā)文量對研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行排名，得出總發(fā)文量前十的研究機(jī)構(gòu)情況（表2）?？偘l(fā)文量前十的研究機(jī)構(gòu)中有2 家機(jī)構(gòu)來自于中國，英國、希臘、美國、荷蘭、韓國、法國、丹麥、比利時各擁有1 家機(jī)構(gòu)，表明中國的研究機(jī)構(gòu)對該領(lǐng)域關(guān)注較多。首爾大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所的總發(fā)文量較多，占發(fā)文量前十的研究機(jī)構(gòu)的總發(fā)文量的47.45%。從篇均被引頻次來看，總發(fā)文量前十的研究機(jī)構(gòu)的平均被引頻次為30.15 次，僅有法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所、魯汶大學(xué)、色薩利大學(xué)的篇均被引頻次高于平均水平，表明上述3 個機(jī)構(gòu)的論文質(zhì)量較高。而我國的中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)的篇均被引頻次排序靠后，表明上述機(jī)構(gòu)論文質(zhì)量水平有待提升。

表2 總發(fā)文量前十的研究機(jī)構(gòu)情況

采用VOSviewer 工具對發(fā)文機(jī)構(gòu)進(jìn)行共現(xiàn)合作網(wǎng)絡(luò)分析，以便了解不同機(jī)構(gòu)間在該領(lǐng)域的合作關(guān)系，形成機(jī)構(gòu)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析圖譜（圖3）。圖中不同大小的節(jié)點(diǎn)代表機(jī)構(gòu)總發(fā)文量的多少，由圖3 可知總發(fā)文量較多的研究機(jī)構(gòu)大部分為高校。從集群分布情況可知，共形成了以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、奧胡斯大學(xué)、法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所、色薩利大學(xué)、首爾大學(xué)、亞利桑那大學(xué)為主導(dǎo)的六大機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)。其中奧胡斯大學(xué)主導(dǎo)形成的合作網(wǎng)絡(luò)規(guī)模最大。在合作密切程度方面，法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所和弗朗什孔岱大學(xué)合作較為緊密，首爾大學(xué)與韓國公州大學(xué)的合作較為緊密，其他研究機(jī)構(gòu)之間的合作相對較少。

圖3 機(jī)構(gòu)共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析圖譜

2.4 期刊發(fā)文分析

通過分析檢索文獻(xiàn)可知，全球共有181 本期刊出版了該領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)，根據(jù)總發(fā)文量對發(fā)文期刊進(jìn)行排名，得出總發(fā)文量前十的期刊（表3）。其中《Biosystems Engineering》以68 篇的總發(fā)文量和1 952 次的總被引頻次排在首位，《Computers and Electronics in Agriculture》以52 篇的總發(fā)文量和1 346 次的總被引頻次排在第2 位，上述2本期刊的總發(fā)文量和總被引頻次均遠(yuǎn)高于其他期刊?！禔gricultural and Forest Meteorology》和《Journal of Food Engineering》分別以85.71 次和44.57 次的篇均被引頻次排名前2 位。其中《Energy and Buildings》的影響因子最高。這些期刊均為該領(lǐng)域影響力較高的國際期刊，受到相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注。

表3 總發(fā)文量前十的期刊

2.5 研究主題分析

運(yùn)用VOSviewer 工具對檢索文獻(xiàn)進(jìn)行關(guān)鍵詞聚類分析，得到該領(lǐng)域關(guān)鍵詞聚類視圖（圖4）。由圖4 可知全球CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究主要集中在以下主題：①CFD 在植保無人機(jī)領(lǐng)域的研究，主要開展植保無人機(jī)設(shè)計及效果仿真，各項(xiàng)應(yīng)用指標(biāo)驗(yàn)證等方面研究。關(guān)鍵詞有模型、無人機(jī)、噴霧漂移、數(shù)值模擬、渦流、分散、環(huán)境等。②CFD 在畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的研究。主要開展畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖建筑的室內(nèi)氣候、空氣質(zhì)量和環(huán)境影響等方面研究。關(guān)鍵詞包括流動、牲畜、水產(chǎn)養(yǎng)殖、建筑物、開放式泡沫、隧道溫室等。③CFD 在溫室系統(tǒng)中應(yīng)用的研究。主要開展基于CFD 的溫室通風(fēng)、防蟲、溫濕度等分布和變化方面研究。關(guān)鍵詞包括通風(fēng)、溫室、空氣流動、蒸騰作用、防蟲網(wǎng)、小氣候、濕度、連續(xù)式屋頂?shù)?。④CFD 在農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域的研究。主要開展基于CFD 的農(nóng)產(chǎn)品加工設(shè)備、加工工藝效果或指標(biāo)等仿真驗(yàn)證研究。關(guān)鍵詞包括農(nóng)產(chǎn)品、設(shè)計布局、品質(zhì)、新鮮草莓包裝、烘干、預(yù)測、系統(tǒng)、儲存等。

圖4 全球CFD 在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞聚類視圖

2.6 研究熱點(diǎn)聚類分析

關(guān)鍵詞共現(xiàn)分析可以發(fā)掘該科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[10]。運(yùn)用VOSviewer 強(qiáng)大的密度視圖分析功能對該領(lǐng)域關(guān)鍵詞的研究熱點(diǎn)進(jìn)行分析，得到全球CFD 在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞密度視圖（圖5），展示該領(lǐng)域研究熱點(diǎn)分布。圖中顏色的明亮代表關(guān)鍵詞的熱度，顏色越亮的關(guān)鍵詞表明被提及的次數(shù)越多。圖中溫室、通風(fēng)、空氣流動、農(nóng)產(chǎn)品、模型、流動等關(guān)鍵詞的顏色最亮，其次是小氣候、防蟲網(wǎng)、預(yù)測、設(shè)計布局等關(guān)鍵詞，表明這些關(guān)鍵詞是該研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

圖5 全球CFD 在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域關(guān)鍵詞密度視圖

3 結(jié)語

該文采用科學(xué)知識圖譜法和文獻(xiàn)計量分析法對WoS核心數(shù)據(jù)庫中1997—2022 年發(fā)表的CFD 在農(nóng)業(yè)研究領(lǐng)域文獻(xiàn)進(jìn)行可視化分析。由總體發(fā)文趨勢分析可知，2007年以前全球?qū)υ擃I(lǐng)域研究關(guān)注較低，2007—2016 年該領(lǐng)域研究逐漸引起關(guān)注，2017 年以后該領(lǐng)域研究逐步受到廣泛關(guān)注。由國家發(fā)文及國家合作分析可知，全球有63個國家開展了該領(lǐng)域的研究；中國總發(fā)文量最多、美國次之；中國總發(fā)量與總被引次數(shù)排名均靠前，但篇均被引次數(shù)排名較低；法國發(fā)文的篇均被引次數(shù)最高。該領(lǐng)域內(nèi)形成以中國、西班牙、哥倫比亞、日本為首的四大國家合作集群，中國與美國之間的合作較為緊密。由機(jī)構(gòu)發(fā)文及合作分析可知，全球共有642 家研究機(jī)構(gòu)開展了該領(lǐng)域研究；首爾大學(xué)、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所的總發(fā)文量較多；法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所、魯汶大學(xué)、色薩利大學(xué)的篇均被引頻次高于前十機(jī)構(gòu)的平均水平；中國農(nóng)業(yè)大學(xué)和沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)篇均被引頻次在前十機(jī)構(gòu)的排序靠后。共形成了以中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、奧胡斯大學(xué)、法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所、色薩利大學(xué)、首爾大學(xué)、亞利桑那大學(xué)主導(dǎo)的六大機(jī)構(gòu)合作網(wǎng)絡(luò)；其中奧胡斯大學(xué)主導(dǎo)形成的合作網(wǎng)絡(luò)規(guī)模最大。法國國家農(nóng)業(yè)食品與環(huán)境研究所和弗朗什孔岱大學(xué)合作較為緊密，首爾大學(xué)與韓國公州大學(xué)的合作較為緊密，其他研究機(jī)構(gòu)之間的合作相對較少。由期刊發(fā)文分析可知，全球共有181 本期刊出版了該領(lǐng)域的研究文獻(xiàn)；《Biosystems Engineering》的總發(fā)文量和總被引頻次排在首位，《Computers and Electronics in Agriculture》次之，這2 本期刊的總發(fā)文量和總被引頻次均遠(yuǎn)高于其他期刊；《Agricultural and Forest Meteorology》和《Journal of Food Engineering》的篇均被引頻次排名前2 位；發(fā)文量排名前十中《Energy and Buildings》的影響因子最高。由研究主題分析可知，全球CFD 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域研究主要集中在以下主題：植保無人機(jī)領(lǐng)域、畜牧和水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域、溫室系統(tǒng)、農(nóng)產(chǎn)品加工領(lǐng)域。由研究熱點(diǎn)聚類分析可知，溫室、通風(fēng)、空氣流動、農(nóng)產(chǎn)品、模型、小氣候、防蟲網(wǎng)等關(guān)鍵詞為該領(lǐng)域主要研究熱點(diǎn)。