1922年英國氣象學(xué)家劉易斯·弗萊·理查森發(fā)表了《數(shù)值分析天氣預(yù)報》一書，這部頗具影響力的著作有幾頁篇幅，專門介紹了一種現(xiàn)象學(xué)模型，該模型描述了多種流體（氣體和液體）在多孔介質(zhì)系統(tǒng)中的流動方式，以及該模型如何用于天氣預(yù)報。

從那時起，科學(xué)家繼續(xù)在理查森模型的基礎(chǔ)上進行構(gòu)建和擴展，并將其原理應(yīng)用于石油和環(huán)境工程、水文學(xué)和土壤科學(xué)等領(lǐng)域。

北卡羅來納大學(xué)教堂山分校教授卡斯·米勒(Cass Miller)和威廉·格雷(William Gray)就是這樣的兩位研究人員，他們共同致力于開發(fā)更完整、更準確的流體流動建模方法。通過美國能源部(DOE)INSITE獎，米勒和團隊獲得了在橡樹嶺領(lǐng)導(dǎo)計算設(shè)施(OLCF)的IBM AC922超級計算機訪問權(quán)限，該設(shè)施是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施，位于美國能源部的橡樹嶺國家實驗室(ORNL)。

打破傳統(tǒng)

200petaflop機器的巨大功率，意味著米勒可以用理查森時代不可想象的方式來處理雙流體流動（液體或氣體的混合物）問題。米勒的工作重點在于計算和模擬兩種流體流過多孔介質(zhì)（例如巖石或木材）的方式。

影響流體在多孔介質(zhì)中運動的因素很多，但由于不同的原因，并不是所有計算方法都考慮這些因素。一般來說，影響這些流體傳輸?shù)幕粳F(xiàn)象（比如質(zhì)量和動量的傳遞）在小范圍內(nèi)被研究人員很好地理解，并且可以準確地計算出來。

如果在一個較小的尺度上觀察多孔介質(zhì)系統(tǒng)，一個連續(xù)尺度，比如說，一個點完全存在于一個液體相或一個固相內(nèi)，相對較好地理解了那個尺度上的傳輸現(xiàn)象（稱之為微尺度）。

不幸的是，我們不能在微觀尺度上解決很多問題，一旦開始考慮固體顆粒在哪里，每種流體在哪里，那么在那個尺度上描述一個系統(tǒng)就變得計算上和實用上令人應(yīng)接不暇。為了解決這個尺度問題，研究人員傳統(tǒng)上在宏觀尺度上處理最實際的流體流動問題，在這個尺度上，計算變得更加可行。

由于許多現(xiàn)實世界的應(yīng)用，需要解決多種流體流動問題，科學(xué)家們不得不犧牲模型中的某些細節(jié)來獲得可獲得的解決方案。此外，理查森的現(xiàn)象學(xué)模型是在更大尺度上沒有正式推導(dǎo)的情況下，這意味著，例如基礎(chǔ)微觀尺度物理在傳統(tǒng)的宏觀尺度模型中沒有明確表示。在理查森的時代，這些遺漏是明智的，如果沒有現(xiàn)代的計算方法，將微尺度物理與大尺度模型聯(lián)系起來幾乎是一項不可想象的任務(wù)。

但現(xiàn)在，在世界上最快的開放科學(xué)超級計算機幫助下，米勒和團隊正在彌合微觀和宏觀之間的鴻溝。為了做到這一點，他們開發(fā)了一種被稱為熱力學(xué)約束平均理論(TCAT)的方法。熱力學(xué)約束平均理論的想法就是克服這些限制，米勒表示：我們能不能以某種方式，從人們很好或更好地理解的物理學(xué)出發(fā)，建立模型，在宏觀尺度上描述我們感興趣系統(tǒng)的物理學(xué)？微觀尺度的物理學(xué)，為描述多孔介質(zhì)系統(tǒng)中的傳輸現(xiàn)象提供了基礎(chǔ)。

熱力學(xué)約束平均理論

然而，為了解決社會感興趣的問題，研究團隊需要找到一種方法，將這些首要原則轉(zhuǎn)化為大規(guī)模的數(shù)學(xué)模型。熱力學(xué)約束平均理論模型背后的想法是從微尺度開始，從小尺度物理開始，包括熱力學(xué)和守恒定律，然后以嚴格的數(shù)學(xué)方式將所有這些都提升到更大尺度，在那里，出于需要，必須應(yīng)用這些模型。研究團隊使用Summit來幫助理解微觀尺度上的詳細物理行為，并使用結(jié)果來幫助驗證TCAT模型。

研究人員希望通過將其拆開，觀察個別機制，以及觀察更大的系統(tǒng)和整體模型來評估這一新理論，這樣做的方式是在小范圍內(nèi)進行計算，因為經(jīng)常在可能有多達數(shù)十億個位置的晶格上進行模擬，在某些情況下超過1000億個晶格位置。

這意味著可以精確地解決足夠大系統(tǒng)的物理問題，這些系統(tǒng)足夠大，可以滿足評估和驗證這些模型的愿望。Summit還提供了一個獨特的資源，使研究人員能夠執(zhí)行這些高分辨率的微尺度模擬，以評估和驗證這類令人興奮的新模型。

OLCF科學(xué)計算組的Mark Berrill與該團隊合作，實現(xiàn)了對高分辨率微尺度模擬的分析。為了繼續(xù)這項研究，米勒和研究團隊通過2020年激勵計劃在Summit上又獲得了34萬個節(jié)點小時。米勒表示：雖然我們已經(jīng)制定了如何在更大范圍內(nèi)對這些系統(tǒng)進行建模的理論，但正在通過INSTITE來評估和驗證這一理論，并最終將其減少到有益于社會的實踐中。

博科園｜研究/來自：橡樹嶺國家實驗室

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