基于CiteSpace的湍流燃烧知识图谱分析

唐 鹏,赵文俊，汪贤才

（池州学院a.大数据与人工智能学院；b.机电工程学院，安徽池州247000）

在能源、动力、航空航天等工程领域，燃烧一般发生于湍流流动中，这样的过程被称为湍流燃烧[1]。湍流燃烧是个极其复杂的物理化学过程，该过程中湍流流动、传热、传质与化学反应同时发生且强烈耦合在一起，大大增加了湍流燃烧问题的研究难度。湍流输运相比层流扩散极大地强化了混合过程，这表现在平均化学反应速率上有可能加速燃烧或者造成当地熄火，同时化学反应过程大量的放热会改变当地流场的密度、粘度等参数，从而影响当地的流场结构。如何定量地来描述和确定这种相互作用是湍流燃烧研究的难点。为了揭示湍流燃烧在我国的发展研究历程，本文运用可视化分析软件CiteSpace[2-4]构建湍流燃烧的科学知识图谱。

1 数据采集

CiteSpace是美国德雷塞尔大学信息科学与技术学院陈超美教授使用Java语言编写的一个免费信息可视化软件。其通过可视化展示科学文献中蕴含的研究趋势及规律。CiteSpace可以从中国知网等数据库获得文献信息，使用基于图论的谱聚类算法展示相关结果。本文的研究取样来自中国知网（CNKI）数据库。检索条件为关键字“湍流燃烧”，发表年度为1987～2018年的中文文献。检索结果包含期刊论文、学位论文和会议论文，共计285篇文献。将这些文献的标题、作者、摘要和关键词等重要信息导出，并使用CiteSpace针对作者等展开分析研究[5-7]。

图1 国内湍流燃烧中文文献历年发文量

2 数据分析

图1为我国湍流燃烧中文文献历年发文量柱状图，由此图可以看出，中国知网可查的第一篇湍流燃烧文章为1987年范维澄[8]院士发表于工程热物理学报。这篇早期的文献是使用双流体模型研究预混燃烧，受到当时计算机运算能力的限制，湍流使用雷诺平均处理。从发文量趋势来看，2000年以前，发文量较低，2000年到2006年间，发文量开始攀升，随后有所回落至平稳。2006年左右国内对湍流燃烧的研究热度最高。其主要原因有二：一是1999年张会强在《力学进展》上发表了一篇重要论文：《湍流燃烧数值模拟研究的综述》[1]。此文是国内湍流燃烧领域的重要文献，被引次数最高。该文对湍流燃烧的数值手段进行了综合评述，文章中涉及的方法有湍流燃烧的直接数值模拟（DNS）、大涡模拟（LES）、随机涡模拟、概率密度函数、条件矩、简化概率密度函数、关联矩和基于简单物理概念的一些唯象模型。为2006年湍流燃烧文章的爆发做好了铺垫。二是自2004年来中国知网已经有可查的以关键词为“湍流燃烧”的硕博士学位论文，而在2006年可查的硕博士学位论文的数目达到最高，所以从2000年后，已经有研究生加入了湍流燃烧的研究中。以上两点原因导致了湍流燃烧在2006年发文量大增。

图2 湍流燃烧的作者合作关系图谱

对发文量在5篇以上的作者以及作者之间的合作关系进行分析，得到我国湍流燃烧领域作者关系可视化结果如图2所示。图2中字体的大小代表发文量，距离表示作者之间的合作关系。从图2中可以看出，清华大学周力行发文量最高，周力行、张健和王方三人的合作关系最为密切。为了统计核心作者的特征，本文借助百度学术，将图2中者的单位及H指数等数据汇总，具体见表1：

表1 湍流燃烧核心作者信息表

表1中的数据展示了发表文章在5篇以上的核心作者共有6人，研究机构主要以国内顶尖大学为主。通过论文关键词分析,可得每个核心作者的主要研究方向。周力行：大涡模拟和二阶矩模型；张健：旋流燃烧室和PDF；陈义良：PDF和火焰面模型；孙明波：火焰面模型和超燃冲压发动机；王方：大涡模拟和PDF；武文斐：火焰面模型和内燃机热力参数。从这些研究方向上来看，核心作者要从事湍流燃烧的数值研究，没有实验研究。这和湍流燃烧的实验研究和军工航空航天等密切相关，一些科研院所的科研成果因为涉密不能公开发表有一定的关系。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，研究学者有老龄化的趋势。这从侧面反映出，湍流燃烧领域的研究需要大量的工作积累。要促进我国湍流燃烧的发展，需要大力培养中青年学者。在H指数上，周力行张健和陈义良的H指数都超过了20，这些学者的发文量大，文献的学术水平高，属于国内湍流燃烧领域的领军作者。通过这些人的研究成果可以了解湍流燃烧领域的动态和方向[9]。

为了更直观地展示30年来湍流燃烧的研究热点，本文把所研究文献的关键词制作词云，如图5所示。图5中词的大小代表了该词在关键词中出现的频率。从图5中可知湍流燃烧以数值模拟为主，其中流场的处理方法以大涡模拟为主。应用领域主要集中在航空航天的发动机燃烧室上。近几年随着计算机硬件的发展，计算性能的提升，湍流燃烧的研究有可能从大涡模拟转向直接数值模拟。通过直接模拟可能揭示湍流燃烧本质,从而推进湍流燃烧的理论研究。

图3 文献关键词词云

3 结论

本文对1987-2018年湍流燃烧为关键词的285篇文献进行分析，得到相关知识图谱[10]。通过可视化图表数据可以看出：（1）我国该领域的研究相对较冷，2006年是其文献激增年，随后趋于平稳，这显示对该领域的研究可以持续并稳步开展；（2）公开发表的该领域文献以数值研究为主，其它方法的研究相对较少；（3）该领域的作者所在研究机构大多为国内顶尖高校，一般高校受其学术水平、计算机超算能力的限制难以展开此领域相关研究；（4）从这些年的发文作者也可以清楚地看出该领域的核心作者有老龄化的趋势，所以该领域亟需充实新的研究人员；（5）目前该领域流场的计算以大涡模拟为主，现在随着计算机运算能力的大幅提升越来越多的学者开始转向湍流燃烧的直接数值模拟的研究。