NSF финансирует исследовательский центр турбулентности на 30 миллионов долларов США, сосредоточенный на прогнозном моделировании для термоядерной энергетики

Национальный научный фонд (NSF) учредил новую программу центров науки и технологий на общую сумму 30 миллионов долларов США, направленную на изучение и прогнозирование турбулентности. Программа ориентирована на такие прикладные области, как термоядерная энергетика, астрофизика и гиперзвуковые полёты, и ставит целью решение проблем моделирования и прогнозирования турбулентности в сложных физических системах. Исследователи и студенты Университета штата Сан-Хосе (San José State University, SJSU) примут участие в соответствующих исследованиях.

Это трёхмерное моделируемое поле турбулентной скорости в точке коллапса ядра массивной звезды перед взрывом сверхновой. Источник изображения: S. Couch, на основе результатов Fields и Couch, опубликованных в журнале The Astrophysical Journal, том 921, страница 28.

Центр возглавляется Университетом штата Мичиган (Michigan State University) и носит название «Трансформационный центр науки и технологий по исследованию турбулентности в многофизике и инженерных науках» (Transformative Exploration of Multiphysics and Engineering Science Turbulence, TEMPEST). Проект объединит физиков, математиков, инженеров, специалистов по вычислительной технике и исследователей в области искусственного интеллекта из нескольких университетов и научных учреждений США. В рамках проекта будут комплексно использоваться методы теоретического анализа, численных расчётов, экспериментальных исследований и искусственного интеллекта для создания исследовательской базы турбулентности, применимой к реальным физическим системам.

Университет штата Сан-Хосе внесёт основной вклад в области многомасштабного математического моделирования, вычислительной гидродинамики и научного машинного обучения, способствуя трансформации фундаментальных научных результатов в области турбулентности в прогнозное моделирование сложных физических систем.

Лиам Стэнтон (Liam Stanton), доцент кафедры прикладной математики факультета математики и статистики Университета штата Сан-Хосе, примет участие в исследованиях многомасштабного переноса и турбулентного перемешивания в экстремальных физических условиях, уделяя особое внимание термоядерной энергетике и плазме с высокой плотностью энергии. Направление его исследований включает создание математических и вычислительных моделей для связи микроскопических взаимодействий частиц, кинетической теории и процессов переноса на континуальном масштабе.

Стэнтон отметил, что физические процессы, связанные с термоядерными экспериментами, охватывают чрезвычайно широкие пространственные и временные масштабы, и понимание того, как микроскопические взаимодействия плазмы влияют на крупномасштабное турбулентное перемешивание и перенос энергии, выходит за пределы возможностей отдельного исследователя или отдельного вычислительного метода. Проект TEMPEST будет способствовать моделированию связей между различными масштабами путём интеграции экспериментов, математики, крупномасштабного моделирования и искусственного интеллекта.

Одной из ключевых целей проекта является переход моделей турбулентности от «воспроизведения экспериментальных результатов после калибровки» к «прогнозированию турбулентного переноса и перемешивания до проведения эксперимента». Повышение прогностических возможностей будет способствовать совершенствованию вычислительных инструментов, используемых для проектирования и интерпретации экспериментов по инерциальному термоядерному синтезу и магнитоинерциальному термоядерному синтезу.

Майк Вуд (Mike Wood), доцент, работающий по совместительству в Морской лаборатории Мосс-Лендинг (Moss Landing Marine Laboratories) и на факультете компьютерных наук Университета штата Сан-Хосе, также примет участие в этом проекте. Он будет использовать свой опыт в области вычислительной гидродинамики и высокопроизводительных вычислений в сочетании с методами машинного обучения и нейронных сетей для разработки новых моделей турбулентности. Поскольку даже самые мощные современные компьютеры с трудом могут явно разрешить все масштабы турбулентности в сложных потоках, исследователям необходимо аппроксимировать влияние неразрешённой турбулентности с помощью моделей. Исследования Вуда будут направлены на изучение того, как использовать машинное обучение и данные высокого разрешения для повышения точности моделирования неразрешённых процессов.

TEMPEST также будет проводить исследования нетрадиционной турбулентности. Такие турбулентные системы обычно находятся в экстремальных условиях и сопровождаются межмасштабными взаимодействиями и множественными связанными физическими процессами, что бросает вызов традиционным модельным допущениям. Центр планирует протестировать новые теоретические и вычислительные методы в таких областях, как термоядерная плазма, астрофизические течения и гиперзвуковые аэрокосмические среды.

Помимо Университета штата Мичиган и Университета штата Сан-Хосе, в проект TEMPEST также входят исследователи из Университета Бэйлора (Baylor University), Обернского университета (Auburn University), Рочестерского университета (University of Rochester), Йельского университета (Yale University), Техасского университета A&M (Texas A&M University) и Технологического института Джорджии (Georgia Institute of Technology). Среди партнёров, не получающих финансирование, — Лос-Аламосская национальная лаборатория (Los Alamos National Laboratory), Сандийские национальные лаборатории (Sandia National Laboratories), Ливерморская национальная лаборатория имени Лоуренса (Lawrence Livermore National Laboratory), компания Pacific Fusion и компания General Atomics.

Студенты Университета штата Сан-Хосе будут напрямую участвовать в исследованиях центра через междисциплинарные проекты в области прикладной математики, вычислительной гидродинамики, научных вычислений, машинного обучения и науки о данных, а также получат возможность установить партнёрские связи с организациями-членами TEMPEST, национальными лабораториями и крупными научно-исследовательскими объектами. Проект также предусматривает открытый доступ к исследовательским данным и программному обеспечению, а также проведение образовательных и просветительских мероприятий для подготовки научных кадров, способных использовать искусственный интеллект и вести исследования за пределами традиционных дисциплинарных границ.