全球计算流体动力学在农业领域研究态势分析

常艺潇，田淑娇，张日如，周悦，彭秀媛

（辽宁省农业科学院信息研究所，辽宁沈阳 110161）

计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）是建立在经典流体动力学与数值计算方法基础之上的一门新型学科[1]。它是在流动基本方程（质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程）控制下对流体流动的数值模拟，把原来在时间域或空间域上连续的物理量的场用一系列有限个离散点上的变量值的集合来代替，通过一定的法则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后求解代数方程组获得场变量的近似值。通过这种模拟可以得到极其复杂问题的流场内各个位置上的基本物理量如速度、压力、温度、浓度等的分布，以及这些物理量随时间的变化情况[2]。计算流体动力学是目前国内外进行传热、传质、动量传递及燃烧、多相流和化学反应研究的核心和重要技术，广泛应用于航天设计、汽车设计、生物医学工业、化工处理工业、涡轮机设计、半导体设计等诸多工程领域。近年来，在评估温室、畜舍和饲料储存设施内的空气质量、辅助生产者优化生产可再生能源系统、分析喷洒农药的漂移模式，以及分析农业生产设施排放的粉尘和有毒气体的扩散等方面研究较多[3]，也可见就具体应用主题开展的综述研究[4-5]。但未见采用科学知识图谱方法进行主题领域研究现状、热点和前沿等可视化分析。因此该文通过检索分析Web of science 数据库中CFD 在农业领域应用研究方面的文献，采用科学图谱和文献计量分析法，运用VOSviewer 工具对CFD 在农业领域应用研究方面的总体研究趋势、国家、研究机构、期刊、研究主题、研究热点等方面进行科学知识图谱分析，以期更好地展示CFD 在农业领域研究整体发展态势，为相关研究的进一步发展，以及相关研究者决策提供科学结论支撑。

1 研究方法和数据来源

1.1 研究方法

该文运用科学知识图谱法和文献计量分析法对检索到的文献进行分析。科学知识图谱是一种通过数据挖掘、科学计量、信息分析以及图形绘制等多种手段，对某一研究领域进行可视化分析的方法[6]。文献计量分析法是一种通过对科技文献的出版和利用活动进行统计分析，对科学研究或科技信息传播活动及规律进行定性或定量评价的方法，其目的在于探索科学研究或科技传播的客观规律，分析其优劣程度，反映其内在联系，预测其发展趋势，是对文献进行专题研究的有效工具[7]。

1.2 数据来源

该文以Web of Science 核心合集数据库为数据源进行主题检索，采用主题检索方式，文献类型为Article 和Review，检索时间跨度为1997—2022 年，检索时间为2022年11 月5 日，文献语言不限。鉴于该主题涉及的术语较多，经过反复开展检索和检索结果分析工作，得到498 篇文献作为最终分析数据。

2 结果与分析

2.1 总体发文趋势分析

分析发文量随年份的变化可在一定程度上表明CFD在农业领域研究的发展趋势。通过对文献进行统计分析，可知在2007 年以前该领域全球年均发文量较少（10 篇以下）；2007—2016 年该领域文献发表量呈波动增长状态，年均发文量14 篇，表明该时期该领域研究逐渐被关注；2017 年及以后该领域研究文献发表量呈快速增长状态，表明该时期该领域研究已逐步受到广泛关注。全球该领域研究文献数量的快速增长得益于中国学者对CFD 在农业领域研究的关注。1997—2011 年国内学者在该领域的研究文献发文量年均不足1 篇，该时期研究者较少；经过2012—2016 年的缓慢增长后，2017 年后国内该领域发文量与全球发文量增长速度同步，进入快速增长期（图1）。

图1 CFD 在农业领域研究的总体发文趋势

2.2 国家发文及国家合作分析

通过分析检索文献可知，全球有63 个国家开展了该领域的研究，受到世界各国学者的关注。通过分析该领域总发文量前十的国家可知，中国的总发文量最多，为126篇，占全球总发文量的25.3%；美国总发文量次之，为65篇，占全球总发文量的13.05%；法国、韩国、西班牙的总发文量相较中国与美国差距较大。中国总发文量与总被引次数排名均靠前，但篇均被引次数排名较低，与该指标最高的法国相比，一定程度上表明我国该领域发文质量有待提升（表1）。

表1 国家发文量分析

运用VOSviewer 工具对发文国家进行共现网络分析，形成国家共现网络分析图谱，以掌握不同国家在该领域的合作研究关系（图2）。图中节点代表不同合作国家，节点的大小反映了各国家总发文量的多少，不同颜色区分节点所属的集群，连线的粗细表示不同国家间的合作紧密程度[9]。图中共有40 个节点，均为总发文量≥2 篇的国家。通过观察集群分布情况可知，该领域内形成以中国、西班牙、哥伦比亚、日本为首的四大国家合作集群，中国与美国间的合作较为紧密，表明该领域的合作研究以农业生产力较强的国家为主。

图2 国家共现网络分析图谱

2.3 机构发文及机构合作分析

通过分析检索文献可知，该领域共有642 家研究机构发表了研究文献，根据总发文量对研究机构进行排名，得出总发文量前十的研究机构情况（表2）。总发文量前十的研究机构中有2 家机构来自于中国，英国、希腊、美国、荷兰、韩国、法国、丹麦、比利时各拥有1 家机构，表明中国的研究机构对该领域关注较多。首尔大学、中国农业大学、法国国家农业食品与环境研究所的总发文量较多，占发文量前十的研究机构的总发文量的47.45%。从篇均被引频次来看，总发文量前十的研究机构的平均被引频次为30.15 次，仅有法国国家农业食品与环境研究所、鲁汶大学、色萨利大学的篇均被引频次高于平均水平，表明上述3 个机构的论文质量较高。而我国的中国农业大学和沈阳农业大学的篇均被引频次排序靠后，表明上述机构论文质量水平有待提升。

表2 总发文量前十的研究机构情况

采用VOSviewer 工具对发文机构进行共现合作网络分析，以便了解不同机构间在该领域的合作关系，形成机构共现网络分析图谱（图3）。图中不同大小的节点代表机构总发文量的多少，由图3 可知总发文量较多的研究机构大部分为高校。从集群分布情况可知，共形成了以中国农业大学、奥胡斯大学、法国国家农业食品与环境研究所、色萨利大学、首尔大学、亚利桑那大学为主导的六大机构合作网络。其中奥胡斯大学主导形成的合作网络规模最大。在合作密切程度方面，法国国家农业食品与环境研究所和弗朗什孔岱大学合作较为紧密，首尔大学与韩国公州大学的合作较为紧密，其他研究机构之间的合作相对较少。

图3 机构共现网络分析图谱

2.4 期刊发文分析

通过分析检索文献可知，全球共有181 本期刊出版了该领域的研究文献，根据总发文量对发文期刊进行排名，得出总发文量前十的期刊（表3）。其中《Biosystems Engineering》以68 篇的总发文量和1 952 次的总被引频次排在首位，《Computers and Electronics in Agriculture》以52 篇的总发文量和1 346 次的总被引频次排在第2 位，上述2本期刊的总发文量和总被引频次均远高于其他期刊。《Agricultural and Forest Meteorology》和《Journal of Food Engineering》分别以85.71 次和44.57 次的篇均被引频次排名前2 位。其中《Energy and Buildings》的影响因子最高。这些期刊均为该领域影响力较高的国际期刊，受到相关学者的广泛关注。

表3 总发文量前十的期刊

2.5 研究主题分析

运用VOSviewer 工具对检索文献进行关键词聚类分析，得到该领域关键词聚类视图（图4）。由图4 可知全球CFD 在农业领域研究主要集中在以下主题：①CFD 在植保无人机领域的研究，主要开展植保无人机设计及效果仿真，各项应用指标验证等方面研究。关键词有模型、无人机、喷雾漂移、数值模拟、涡流、分散、环境等。②CFD 在畜牧和水产养殖领域的研究。主要开展畜牧和水产养殖建筑的室内气候、空气质量和环境影响等方面研究。关键词包括流动、牲畜、水产养殖、建筑物、开放式泡沫、隧道温室等。③CFD 在温室系统中应用的研究。主要开展基于CFD 的温室通风、防虫、温湿度等分布和变化方面研究。关键词包括通风、温室、空气流动、蒸腾作用、防虫网、小气候、湿度、连续式屋顶等。④CFD 在农产品加工领域的研究。主要开展基于CFD 的农产品加工设备、加工工艺效果或指标等仿真验证研究。关键词包括农产品、设计布局、品质、新鲜草莓包装、烘干、预测、系统、储存等。

图4 全球CFD 在农业研究领域关键词聚类视图

2.6 研究热点聚类分析

关键词共现分析可以发掘该科学领域的研究热点[10]。运用VOSviewer 强大的密度视图分析功能对该领域关键词的研究热点进行分析，得到全球CFD 在农业研究领域关键词密度视图（图5），展示该领域研究热点分布。图中颜色的明亮代表关键词的热度，颜色越亮的关键词表明被提及的次数越多。图中温室、通风、空气流动、农产品、模型、流动等关键词的颜色最亮，其次是小气候、防虫网、预测、设计布局等关键词，表明这些关键词是该研究领域的研究热点。

图5 全球CFD 在农业研究领域关键词密度视图

3 结语

该文采用科学知识图谱法和文献计量分析法对WoS核心数据库中1997—2022 年发表的CFD 在农业研究领域文献进行可视化分析。由总体发文趋势分析可知，2007年以前全球对该领域研究关注较低，2007—2016 年该领域研究逐渐引起关注，2017 年以后该领域研究逐步受到广泛关注。由国家发文及国家合作分析可知，全球有63个国家开展了该领域的研究；中国总发文量最多、美国次之；中国总发量与总被引次数排名均靠前，但篇均被引次数排名较低；法国发文的篇均被引次数最高。该领域内形成以中国、西班牙、哥伦比亚、日本为首的四大国家合作集群，中国与美国之间的合作较为紧密。由机构发文及合作分析可知，全球共有642 家研究机构开展了该领域研究；首尔大学、中国农业大学、法国国家农业食品与环境研究所的总发文量较多；法国国家农业食品与环境研究所、鲁汶大学、色萨利大学的篇均被引频次高于前十机构的平均水平；中国农业大学和沈阳农业大学篇均被引频次在前十机构的排序靠后。共形成了以中国农业大学、奥胡斯大学、法国国家农业食品与环境研究所、色萨利大学、首尔大学、亚利桑那大学主导的六大机构合作网络；其中奥胡斯大学主导形成的合作网络规模最大。法国国家农业食品与环境研究所和弗朗什孔岱大学合作较为紧密，首尔大学与韩国公州大学的合作较为紧密，其他研究机构之间的合作相对较少。由期刊发文分析可知，全球共有181 本期刊出版了该领域的研究文献；《Biosystems Engineering》的总发文量和总被引频次排在首位，《Computers and Electronics in Agriculture》次之，这2 本期刊的总发文量和总被引频次均远高于其他期刊；《Agricultural and Forest Meteorology》和《Journal of Food Engineering》的篇均被引频次排名前2 位；发文量排名前十中《Energy and Buildings》的影响因子最高。由研究主题分析可知，全球CFD 在农业领域研究主要集中在以下主题：植保无人机领域、畜牧和水产养殖领域、温室系统、农产品加工领域。由研究热点聚类分析可知，温室、通风、空气流动、农产品、模型、小气候、防虫网等关键词为该领域主要研究热点。