基于CiteSpace的湍流燃燒知識(shí)圖譜分析

唐 鵬,趙文俊，汪賢才

（池州學(xué)院a.大數(shù)據(jù)與人工智能學(xué)院；b.機(jī)電工程學(xué)院，安徽池州247000）

在能源、動(dòng)力、航空航天等工程領(lǐng)域，燃燒一般發(fā)生于湍流流動(dòng)中，這樣的過(guò)程被稱為湍流燃燒[1]。湍流燃燒是個(gè)極其復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程，該過(guò)程中湍流流動(dòng)、傳熱、傳質(zhì)與化學(xué)反應(yīng)同時(shí)發(fā)生且強(qiáng)烈耦合在一起，大大增加了湍流燃燒問(wèn)題的研究難度。湍流輸運(yùn)相比層流擴(kuò)散極大地強(qiáng)化了混合過(guò)程，這表現(xiàn)在平均化學(xué)反應(yīng)速率上有可能加速燃燒或者造成當(dāng)?shù)叵ɑ?，同時(shí)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程大量的放熱會(huì)改變當(dāng)?shù)亓鲌?chǎng)的密度、粘度等參數(shù)，從而影響當(dāng)?shù)氐牧鲌?chǎng)結(jié)構(gòu)。如何定量地來(lái)描述和確定這種相互作用是湍流燃燒研究的難點(diǎn)。為了揭示湍流燃燒在我國(guó)的發(fā)展研究歷程，本文運(yùn)用可視化分析軟件CiteSpace[2-4]構(gòu)建湍流燃燒的科學(xué)知識(shí)圖譜。

1 數(shù)據(jù)采集

CiteSpace是美國(guó)德雷塞爾大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院陳超美教授使用Java語(yǔ)言編寫(xiě)的一個(gè)免費(fèi)信息可視化軟件。其通過(guò)可視化展示科學(xué)文獻(xiàn)中蘊(yùn)含的研究趨勢(shì)及規(guī)律。CiteSpace可以從中國(guó)知網(wǎng)等數(shù)據(jù)庫(kù)獲得文獻(xiàn)信息，使用基于圖論的譜聚類算法展示相關(guān)結(jié)果。本文的研究取樣來(lái)自中國(guó)知網(wǎng)（CNKI）數(shù)據(jù)庫(kù)。檢索條件為關(guān)鍵字“湍流燃燒”，發(fā)表年度為1987～2018年的中文文獻(xiàn)。檢索結(jié)果包含期刊論文、學(xué)位論文和會(huì)議論文，共計(jì)285篇文獻(xiàn)。將這些文獻(xiàn)的標(biāo)題、作者、摘要和關(guān)鍵詞等重要信息導(dǎo)出，并使用CiteSpace針對(duì)作者等展開(kāi)分析研究[5-7]。

圖1 國(guó)內(nèi)湍流燃燒中文文獻(xiàn)歷年發(fā)文量

2 數(shù)據(jù)分析

圖1為我國(guó)湍流燃燒中文文獻(xiàn)歷年發(fā)文量柱狀圖，由此圖可以看出，中國(guó)知網(wǎng)可查的第一篇湍流燃燒文章為1987年范維澄[8]院士發(fā)表于工程熱物理學(xué)報(bào)。這篇早期的文獻(xiàn)是使用雙流體模型研究預(yù)混燃燒，受到當(dāng)時(shí)計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的限制，湍流使用雷諾平均處理。從發(fā)文量趨勢(shì)來(lái)看，2000年以前，發(fā)文量較低，2000年到2006年間，發(fā)文量開(kāi)始攀升，隨后有所回落至平穩(wěn)。2006年左右國(guó)內(nèi)對(duì)湍流燃燒的研究熱度最高。其主要原因有二：一是1999年張會(huì)強(qiáng)在《力學(xué)進(jìn)展》上發(fā)表了一篇重要論文：《湍流燃燒數(shù)值模擬研究的綜述》[1]。此文是國(guó)內(nèi)湍流燃燒領(lǐng)域的重要文獻(xiàn)，被引次數(shù)最高。該文對(duì)湍流燃燒的數(shù)值手段進(jìn)行了綜合評(píng)述，文章中涉及的方法有湍流燃燒的直接數(shù)值模擬（DNS）、大渦模擬（LES）、隨機(jī)渦模擬、概率密度函數(shù)、條件矩、簡(jiǎn)化概率密度函數(shù)、關(guān)聯(lián)矩和基于簡(jiǎn)單物理概念的一些唯象模型。為2006年湍流燃燒文章的爆發(fā)做好了鋪墊。二是自2004年來(lái)中國(guó)知網(wǎng)已經(jīng)有可查的以關(guān)鍵詞為“湍流燃燒”的碩博士學(xué)位論文，而在2006年可查的碩博士學(xué)位論文的數(shù)目達(dá)到最高，所以從2000年后，已經(jīng)有研究生加入了湍流燃燒的研究中。以上兩點(diǎn)原因?qū)е铝送牧魅紵?006年發(fā)文量大增。

圖2 湍流燃燒的作者合作關(guān)系圖譜

對(duì)發(fā)文量在5篇以上的作者以及作者之間的合作關(guān)系進(jìn)行分析，得到我國(guó)湍流燃燒領(lǐng)域作者關(guān)系可視化結(jié)果如圖2所示。圖2中字體的大小代表發(fā)文量，距離表示作者之間的合作關(guān)系。從圖2中可以看出，清華大學(xué)周力行發(fā)文量最高，周力行、張健和王方三人的合作關(guān)系最為密切。為了統(tǒng)計(jì)核心作者的特征，本文借助百度學(xué)術(shù)，將圖2中者的單位及H指數(shù)等數(shù)據(jù)匯總，具體見(jiàn)表1：

表1 湍流燃燒核心作者信息表

表1中的數(shù)據(jù)展示了發(fā)表文章在5篇以上的核心作者共有6人，研究機(jī)構(gòu)主要以國(guó)內(nèi)頂尖大學(xué)為主。通過(guò)論文關(guān)鍵詞分析,可得每個(gè)核心作者的主要研究方向。周力行：大渦模擬和二階矩模型；張健：旋流燃燒室和PDF；陳義良：PDF和火焰面模型；孫明波：火焰面模型和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；王方：大渦模擬和PDF；武文斐：火焰面模型和內(nèi)燃機(jī)熱力參數(shù)。從這些研究方向上來(lái)看，核心作者要從事湍流燃燒的數(shù)值研究，沒(méi)有實(shí)驗(yàn)研究。這和湍流燃燒的實(shí)驗(yàn)研究和軍工航空航天等密切相關(guān)，一些科研院所的科研成果因?yàn)樯婷懿荒芄_(kāi)發(fā)表有一定的關(guān)系。在核心作者的出生年代上，大部分作者出生在60年代及以前，研究學(xué)者有老齡化的趨勢(shì)。這從側(cè)面反映出，湍流燃燒領(lǐng)域的研究需要大量的工作積累。要促進(jìn)我國(guó)湍流燃燒的發(fā)展，需要大力培養(yǎng)中青年學(xué)者。在H指數(shù)上，周力行張健和陳義良的H指數(shù)都超過(guò)了20，這些學(xué)者的發(fā)文量大，文獻(xiàn)的學(xué)術(shù)水平高，屬于國(guó)內(nèi)湍流燃燒領(lǐng)域的領(lǐng)軍作者。通過(guò)這些人的研究成果可以了解湍流燃燒領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)和方向[9]。

為了更直觀地展示30年來(lái)湍流燃燒的研究熱點(diǎn)，本文把所研究文獻(xiàn)的關(guān)鍵詞制作詞云，如圖5所示。圖5中詞的大小代表了該詞在關(guān)鍵詞中出現(xiàn)的頻率。從圖5中可知湍流燃燒以數(shù)值模擬為主，其中流場(chǎng)的處理方法以大渦模擬為主。應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在航空航天的發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室上。近幾年隨著計(jì)算機(jī)硬件的發(fā)展，計(jì)算性能的提升，湍流燃燒的研究有可能從大渦模擬轉(zhuǎn)向直接數(shù)值模擬。通過(guò)直接模擬可能揭示湍流燃燒本質(zhì),從而推進(jìn)湍流燃燒的理論研究。

圖3 文獻(xiàn)關(guān)鍵詞詞云

3 結(jié)論

本文對(duì)1987-2018年湍流燃燒為關(guān)鍵詞的285篇文獻(xiàn)進(jìn)行分析，得到相關(guān)知識(shí)圖譜[10]。通過(guò)可視化圖表數(shù)據(jù)可以看出：（1）我國(guó)該領(lǐng)域的研究相對(duì)較冷，2006年是其文獻(xiàn)激增年，隨后趨于平穩(wěn)，這顯示對(duì)該領(lǐng)域的研究可以持續(xù)并穩(wěn)步開(kāi)展；（2）公開(kāi)發(fā)表的該領(lǐng)域文獻(xiàn)以數(shù)值研究為主，其它方法的研究相對(duì)較少；（3）該領(lǐng)域的作者所在研究機(jī)構(gòu)大多為國(guó)內(nèi)頂尖高校，一般高校受其學(xué)術(shù)水平、計(jì)算機(jī)超算能力的限制難以展開(kāi)此領(lǐng)域相關(guān)研究；（4）從這些年的發(fā)文作者也可以清楚地看出該領(lǐng)域的核心作者有老齡化的趨勢(shì)，所以該領(lǐng)域亟需充實(shí)新的研究人員；（5）目前該領(lǐng)域流場(chǎng)的計(jì)算以大渦模擬為主，現(xiàn)在隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的大幅提升越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始轉(zhuǎn)向湍流燃燒的直接數(shù)值模擬的研究。