耶鲁大学正加入一个由美国国家科学基金会资助的新中心，该中心聚焦理解和控制湍流——这一问题影响着从海洋和大气到聚变反应堆及航天器的各类系统。总部设在密歇根州立大学、获3,000万美元资助的 TEMPEST collaboration，将结合理论、计算、人工智能和实验，为具有重大影响的应用开发预测模型。
要点
- 美国国家科学基金会于8月26日宣布向 TEMPEST 提供3,000万美元资助。
- TEMPEST 是“科学湍流多物理与工程变革性探索”的缩写。
- 该中心将设在密歇根州立大学，成员包括耶鲁大学研究人员安娜·吉尔伯特和拉吉特·马诺哈尔。
- 该合作旨在构建现实世界湍流的预测模型，以及运行这些模型所需的计算硬件。
这对大学和研究人员意味着什么
TEMPEST 建立了一项跨机构研究计划，将物理学、数学、工程和人工智能相连接。耶鲁大学的角色包括开展物理信息人工智能和机器学习、实验数据决策及计算架构方面的工作；与此同时，中心各地的研究人员将围绕湍流问题联结理论、实验和计算。
该中心汇集了来自耶鲁大学、密歇根州立大学、贝勒大学、奥本大学、罗切斯特大学、圣何塞州立大学和得州农工大学科珀斯克里斯蒂分校的研究人员。洛斯阿拉莫斯国家实验室、桑迪亚国家实验室、劳伦斯利弗莫尔国家实验室、Pacific Fusion 和通用原子公司被列为无资助合作伙伴。
TEMPEST collaboration将开展什么工作？
TEMPEST 将寻求在现实条件下理解和控制湍流；在这些条件中，多种物理效应可能跨尺度相互作用。其研究人员将整合理论、计算、人工智能技术和实验，为需要可靠处理湍流的应用创建预测模型。
湍流长期以来一直是物理学中尚未解决的问题。标准教科书案例可将普通流体、简单几何形状和单一物理效应分离开来，并区分承载大量能量的大尺度与能量耗散的小尺度。在这些条件下，湍流可呈现普适统计特征，模拟也可对未解析尺度采用通用规则。
许多实际和极端场景并不符合这些简化条件。磁场、辐射、化学过程和粒子尺度效应可在聚变反应堆湍流、再入航天器周围流动及垂死恒星内部湍流等现象中共同作用。该中心的工作旨在应对这一更复杂的领域。
耶鲁大学将如何为该中心作出贡献？
耶鲁大学文理学院约翰·C·马隆统计学与数据科学教授安娜·吉尔伯特，将领导被称为该中心人工智能和机器学习连接器的工作。她的团队将与数学家合作，把物理系统中可证明的特征转化为模型约束，并利用数据识别可能值得进一步证明的结果。
吉尔伯特的团队还将与实验人员合作，确定应收集哪些数据及测量到何种程度，确保测量具有意义。跨越不同应用，这项工作将涉及对计算方法和数学近似进行分析、基准测试、验证和核验，并将其与经验结果整合。
耶鲁工程学院约翰·C·马隆电气与计算机工程及计算机科学教授拉吉特·马诺哈尔，将聚焦能够运行这些模型的机器。他的团队将探索计算架构，包括与相关算法协同设计的无时钟芯片，以使用当前硬件所需功耗的一小部分。
为什么改进湍流建模很重要？
科学家表示，对湍流更深入的理解可支持科学和工程领域的多项挑战。湍流与能量传输、污染物和热量在海洋及大气中的扩散、化工厂中的流体运动，以及极端环境中的等离子体行为有关。
既定目标不仅是开发模型，还要开发因建立在相关物理基础上而值得信赖的模型和硬件。这一重点将该中心的数学、实验、人工智能和硬件工作连接起来。
常见问题
什么是 TEMPEST collaboration？
TEMPEST 是“科学湍流多物理与工程变革性探索”的缩写，是一个由 NSF 资助、设在密歇根州立大学的科学与技术中心。它将汇集物理学、数学、工程和人工智能领域的研究人员，以理解和控制湍流。
TEMPEST 获得了多少资金？
美国国家科学基金会于8月26日宣布向 TEMPEST 提供3,000万美元资助。这笔资金支持该中心开展现实世界湍流预测模型及相关计算方法的研究。
