美国NSF资助3000万美元湍流研究中心 聚焦聚变能源预测建模

美国国家科学基金会 (NSF) 新设一项总额3000万美元的科学技术中心项目，重点研究湍流的理解与预测。该项目面向聚变能源、天体物理和高超声速飞行等应用场景，试图破解复杂物理系统中跨尺度湍流建模和预测难题。圣何塞州立大学 (San José State University, SJSU) 的研究人员和学生将参与相关研究。

这是大质量恒星在超新星爆发前核心坍缩点处的三维模拟湍流速度场。图片来源：S. Couch，基于Fields和Couch发表于《天体物理学杂志》921卷28页的研究结果。

该中心由密歇根州立大学 (Michigan State University) 牵头，名称为“多物理场与科学湍流工程变革性探索科学技术中心”(Transformative Exploration of Multiphysics and Engineering Science Turbulence, TEMPEST)。项目将汇集美国多所高校和科研机构的物理学家、数学家、工程师、计算机科学家和人工智能研究人员，综合运用理论分析、数值计算、实验研究和人工智能方法，建立适用于真实物理系统的湍流研究框架。

圣何塞州立大学将主要贡献其在多尺度数学建模、计算流体动力学和科学机器学习方面的研究基础，推动湍流基础科学成果向复杂物理系统预测模拟转化。

圣何塞州立大学数学与统计系应用数学副教授利亚姆·斯坦顿 (Liam Stanton) 将参与极端物理条件下多尺度输运和湍流混合研究，重点关注聚变能和高能量密度等离子体。其研究方向包括建立数学和计算模型，用于连接微观粒子相互作用、动力学理论和连续介质尺度输运过程。

斯坦顿表示，聚变实验涉及的物理过程跨越极宽的空间和时间尺度，理解微观等离子体相互作用如何影响大尺度湍流混合和能量传输，已超出单一研究人员或单一计算方法的能力范围。TEMPEST项目将通过整合实验、数学、大规模模拟和人工智能，推动不同尺度之间的关联建模。

项目的一项核心目标，是推动湍流模型从“经校准后重现实验结果”向“实验前预测湍流输运和混合”转变。预测能力的提升，将有助于改进用于设计和解释惯性约束聚变及磁惯性约束聚变实验的计算工具。

圣何塞州立大学莫斯兰丁海洋实验室 (Moss Landing Marine Laboratories) 与计算机科学系双聘助理教授迈克·伍德 (Mike Wood) 也将参与该项目。他将利用计算流体动力学和高性能计算经验，结合机器学习和神经网络技术开发新型湍流模型。由于现有最强大的计算机也难以显式解析复杂流动中的全部湍流尺度，科研人员需要通过模型近似表征未解析湍流的影响。伍德的研究将探索如何利用机器学习和高分辨率模拟数据，提高未解析过程的建模精度。

TEMPEST还将围绕非常规湍流开展研究。这类湍流系统通常处于极端条件下，并伴随跨尺度相互作用和多种耦合物理过程，对传统建模假设提出挑战。该中心计划在聚变等离子体、天体物理流动和高超声速航空航天环境等方向测试新的理论和计算方法。

除密歇根州立大学和圣何塞州立大学外，TEMPEST项目还包括贝勒大学 (Baylor University)、奥本大学 (Auburn University)、罗切斯特大学 (University of Rochester)、耶鲁大学 (Yale University)、德克萨斯农工大学 (Texas A&M University) 和佐治亚理工学院 (Georgia Institute of Technology) 的研究人员。未获资助的合作伙伴包括洛斯阿拉莫斯国家实验室 (Los Alamos National Laboratory)、桑迪亚国家实验室 (Sandia National Laboratories)、劳伦斯利弗莫尔国家实验室 (Lawrence Livermore National Laboratory)、太平洋聚变公司 (Pacific Fusion) 和通用原子公司 (General Atomics)。

圣何塞州立大学学生将通过应用数学、计算流体动力学、科学计算、机器学习和数据科学等跨学科项目直接参与中心研究，并有机会与TEMPEST成员机构、国家实验室和大型科研设施建立合作联系。项目还计划开放研究数据和软件，并开展教育与公众参与活动，培养能够运用人工智能、跨越传统学科边界开展研究的科学人才。