Un centre de recherche sur la turbulence financé à hauteur de 30 millions de dollars par la NSF américaine, axé sur la modélisation prédictive pour l'énergie de fusion

La National Science Foundation (NSF) a créé un nouveau centre de science et technologie d'un montant total de 30 millions de dollars, consacré à la compréhension et à la prédiction de la turbulence. Ce projet vise des applications telles que l'énergie de fusion, l'astrophysique et le vol hypersonique, et tente de résoudre les difficultés de modélisation et de prédiction de la turbulence à travers les échelles dans les systèmes physiques complexes. Des chercheurs et étudiants de l'Université d'État de San José (San José State University, SJSU) participeront à ces recherches.

Il s'agit d'un champ de vitesse de turbulence tridimensionnel simulé au point d'effondrement du cœur d'une étoile massive avant l'explosion en supernova. Crédit image : S. Couch, d'après les résultats de Fields et Couch publiés dans l'Astrophysical Journal, volume 921, page 28.

Ce centre, dirigé par l'Université d'État du Michigan (Michigan State University), est nommé « Centre de science et technologie pour l'exploration transformatrice de la turbulence multiphysique et de l'ingénierie scientifique » (Transformative Exploration of Multiphysics and Engineering Science Turbulence, TEMPEST). Le projet réunira des physiciens, mathématiciens, ingénieurs, informaticiens et chercheurs en intelligence artificielle de plusieurs universités et institutions de recherche américaines, et combinera analyse théorique, calcul numérique, recherche expérimentale et méthodes d'intelligence artificielle pour établir un cadre de recherche sur la turbulence applicable aux systèmes physiques réels.

L'Université d'État de San José apportera principalement sa contribution en matière de modélisation mathématique multi-échelles, de dynamique des fluides computationnelle et d'apprentissage automatique scientifique, afin de favoriser la transition des résultats fondamentaux sur la turbulence vers la simulation prédictive de systèmes physiques complexes.

Liam Stanton, professeur agrégé de mathématiques appliquées au Département de mathématiques et de statistique de l'Université d'État de San José, participera à la recherche sur le transport multi-échelles et le mélange turbulent dans des conditions physiques extrêmes, en se concentrant sur l'énergie de fusion et les plasmas à haute densité d'énergie. Ses travaux portent notamment sur l'établissement de modèles mathématiques et computationnels reliant les interactions microscopiques entre particules, la théorie cinétique et les processus de transport à l'échelle du continuum.

Stanton a déclaré que les expériences de fusion impliquent des processus physiques couvrant des échelles spatiales et temporelles extrêmement larges, et que comprendre comment les interactions microscopiques du plasma influencent le mélange turbulent et le transport d'énergie à grande échelle dépasse la capacité d'un seul chercheur ou d'une seule méthode de calcul. Le projet TEMPEST favorisera la modélisation des corrélations entre les échelles en intégrant l'expérimentation, les mathématiques, la simulation à grande échelle et l'intelligence artificielle.

L'un des objectifs fondamentaux du projet est de faire évoluer les modèles de turbulence d'une approche « calibrée pour reproduire les résultats expérimentaux » vers une approche « prédictive du transport et du mélange turbulents avant l'expérience ». L'amélioration des capacités prédictives contribuera à perfectionner les outils de calcul utilisés pour concevoir et interpréter les expériences de fusion par confinement inertiel et de fusion par confinement magnéto-inertiel.

Mike Wood, professeur adjoint conjointement nommé aux Laboratoires marins de Moss Landing (Moss Landing Marine Laboratories) et au Département d'informatique de l'Université d'État de San José, participera également à ce projet. Il utilisera son expérience en dynamique des fluides computationnelle et en calcul haute performance, combinée à des techniques d'apprentissage automatique et de réseaux de neurones, pour développer de nouveaux modèles de turbulence. Étant donné que même les ordinateurs les plus puissants actuels ne peuvent pas résoudre explicitement toutes les échelles de turbulence dans des écoulements complexes, les chercheurs doivent représenter de manière approchée l'influence de la turbulence non résolue à l'aide de modèles. Les recherches de Wood exploreront comment l'apprentissage automatique et les données de simulation à haute résolution peuvent améliorer la précision de la modélisation des processus non résolus.

TEMPEST mènera également des recherches sur les turbulences non conventionnelles. Ces systèmes turbulents se trouvent généralement dans des conditions extrêmes et s'accompagnent d'interactions entre échelles et de multiples processus physiques couplés, ce qui remet en question les hypothèses de modélisation traditionnelles. Le centre prévoit de tester de nouvelles méthodes théoriques et computationnelles dans les domaines des plasmas de fusion, des écoulements astrophysiques et des environnements aérospatiaux hypersoniques.

Outre l'Université d'État du Michigan et l'Université d'État de San José, le projet TEMPEST comprend également des chercheurs de l'Université Baylor (Baylor University), de l'Université d'Auburn (Auburn University), de l'Université de Rochester (University of Rochester), de l'Université Yale (Yale University), de l'Université A&M du Texas (Texas A&M University) et de l'Institut de technologie de Géorgie (Georgia Institute of Technology). Les partenaires non financés comprennent le Laboratoire national de Los Alamos (Los Alamos National Laboratory), les Laboratoires nationaux Sandia (Sandia National Laboratories), le Laboratoire national Lawrence Livermore (Lawrence Livermore National Laboratory), Pacific Fusion et General Atomics.

Les étudiants de l'Université d'État de San José participeront directement aux recherches du centre par le biais de projets interdisciplinaires en mathématiques appliquées, dynamique des fluides computationnelle, calcul scientifique, apprentissage automatique et science des données, et auront l'opportunité d'établir des collaborations avec les institutions membres de TEMPEST, les laboratoires nationaux et les grandes installations de recherche. Le projet prévoit également d'ouvrir les données et logiciels de recherche, et de mener des activités d'éducation et de sensibilisation du public afin de former des scientifiques capables d'utiliser l'intelligence artificielle et de transcender les frontières disciplinaires traditionnelles dans leurs recherches.