Logiciel de simulation STEM : voyez la pression, l'écoulement, la flottabilité et la chaleur

De la physique que vous modifiez et dont vous voyez la réponse

Dans un manuel, la pression, la flottabilité et le transfert de chaleur sont des schémas et des équations. Dans Visaria, chacun est une expérience en direct. Vous préparez une scène, vous lancez la simulation, et la physique se déroule en 3D sur votre propre carte graphique. Puis vous changez une chose et vous voyez exactement ce que cette chose faisait.

Il convient aux élèves du secondaire et du lycée, aux étudiants, aux enseignants, aux bricoleurs, aux passionnés et à toute personne curieuse de savoir comment les choses fonctionnent.

C'est l'idée qui se trouve derrière chaque exemple de cette page : changer une variable, observer la réponse, puis la remettre comme avant. C'est ainsi que les scientifiques et les ingénieurs construisent leur intuition, et c'est bien plus facile lorsque la réponse arrive en quelques secondes plutôt qu'après un long calcul.

Pression, vitesse et écoulement

Placez une forme dans un courant d'air : Visaria colore l'espace autour d'elle selon la pression ou la vitesse et trace des lignes de courant qui montrent où va l'air. Vous voyez la pression s'accumuler à l'avant de la forme, l'air accélérer autour d'elle, l'écoulement se décoller de la surface et un sillage tourbillonnant et turbulent se former derrière.

• Changez la vitesse de l'air et observez la réaction de la pression et du sillage.
• Changez la forme, d'un bloc anguleux à une forme lisse et profilée, et voyez le sillage rétrécir.
• Activez une route mobile, qui modifie l'écoulement sous un véhicule.
• Lisez les valeurs de traînée et de portance pendant que l'écoulement se stabilise, comme indication du comportement de la conception.

C'est le même principe qu'une soufflerie, sans la soufflerie. Voir la page soufflerie virtuelle pour en savoir plus.

La chaleur crée la flottabilité

L'air chaud est moins dense que l'air froid, donc il monte. C'est pourquoi un radiateur chauffe toute une pièce, pourquoi la flamme d'une bougie s'étire vers le haut et pourquoi les montgolfières volent. Dans le solveur Aero et Thermal, vous pouvez le voir : placez un objet chauffé dans l'air immobile et un panache d'air chaud s'en élève, attirant de l'air plus frais par en dessous. Les ingénieurs appellent ce résultat la convection naturelle.

La flottabilité est un effet physique que vous pouvez activer et désactiver. Désactivée, la chaleur se propage dans l'air uniquement par conduction et par l'écoulement que vous avez défini. Activée, la chaleur génère son propre écoulement et tout le tableau change. Faire les deux sur la même scène est le moyen le plus rapide de comprendre ce que la flottabilité apporte réellement.

Activez et désactivez les effets physiques

Le transfert de chaleur réel est la somme de plusieurs effets à la fois : conduction dans les solides, convection portée par le fluide en mouvement, flottabilité due aux différences de densité et rayonnement entre les surfaces. Il est difficile de savoir, en y réfléchissant, ce que chacun apporte. Dans Visaria, vous pouvez les activer et les désactiver dans le solveur thermique et voir la réponse.

• Conduction seule. La chaleur se propage dans le matériau et l'air n'intervient pas.
• Ajoutez la convection. L'air en mouvement emporte la chaleur : un ventilateur ou une brise change visiblement la température.
• Ajoutez la flottabilité. L'air chaud monte désormais de lui-même, avec ou sans ventilateur.
• Ajoutez le rayonnement. Les surfaces chaudes échangent désormais de la chaleur avec leur environnement à travers l'espace qui les sépare.

Comparer les simulations montre quel effet compte le plus dans une situation donnée, et pourquoi un dissipateur thermique a des ailettes. Ce que vous voyez dépend du scénario : essayez donc les mêmes commutateurs sur d'autres configurations.

Les gaz qui montent et les gaz qui descendent

La flottabilité agit dans les deux sens. Un gaz plus léger que l'air monte et s'étale au plafond, un gaz plus lourd descend et s'accumule près du sol. Dans le solveur Aero et Gas, vous choisissez un gaz, réglez l'endroit où il entre et sa vitesse, ajoutez un peu d'écoulement d'air et observez le panache. Le sujet du Centre d'apprentissage « à quel point la flottabilité est puissante » renvoie à des scénarios prêts à l'emploi.

Voir la simulation de dispersion de gaz pour en savoir plus.

La viscosité change tout

La viscosité mesure à quel point un fluide résiste à l'écoulement, son côté « épais ». C'est facile à définir et étonnamment difficile à imaginer. Dans Visaria, vous pouvez la modifier et observer les conséquences : un fluide peu visqueux contourne vite un obstacle et se brise en tourbillons, alors qu'un fluide plus épais avance en nappes lisses et lentes et reste plus longtemps collé aux surfaces. La même expérience fonctionne pour l'eau et pour l'air, et la forme du sillage, les couches près de la surface et la manière dont l'écoulement se stabilise changent toutes avec elle.

Essayez la même scène deux fois avec des viscosités différentes, ou avec le même fluide et un autre obstacle. L'eau qui s'écoule autour d'un cylindre et de plusieurs blocs paraît très différente d'un essai à l'autre, et comprendre pourquoi est le début de la compréhension de la dynamique des fluides.

Vagues, ballottement et surfaces libres

Le solveur Liquids et dynamique des vagues ajoute une surface libre, la frontière entre l'eau et l'air. Vous pouvez remplir et vider des récipients, mettre des vagues en mouvement, regarder l'eau ballotter et éclabousser les parois et y jeter des obstacles. Les vagues se réfléchissent, interfèrent et déferlent, ce qui est bien plus facile à saisir en 3D que sur un schéma. Voir la simulation d'eau pour en savoir plus.

Des expériences par matière

• Physique, de la science au collège jusqu'au lycée. Pression et vitesse dans un fluide en mouvement, forces sur un corps dans un écoulement, flottabilité, masse volumique, comportement des vagues.
• Sciences et chaleur. Conduction, convection et rayonnement, convection naturelle, pourquoi des matériaux semblent chauds ou froids, comportement des gaz.
• Ingénierie et technologie. Testez la forme d'une voiture, d'une fusée miniature, d'une pile de pont ou d'un dissipateur thermique. Importez un fichier STL depuis un logiciel d'impression 3D ou de CAO, ou construisez-en un dans le Mesh Builder à partir de formes simples.
• Maths et informatique. Comment fonctionne une simulation : la grille, les conditions aux limites, la convergence et pourquoi plus de détail demande plus de calcul. La page CFD pour étudiants traite de ce sujet.

L'analyse structurelle (FEA), avec forces, contraintes et dynamique, est prévue comme futur solveur et n'est pas encore disponible.

Conçu pour s'expliquer lui-même

Visaria comprend un Centre d'apprentissage avec des guides pas à pas qui renvoient directement à des démonstrations et à des réglages de scénario, de nombreuses info-bulles, ainsi qu'un glossaire consultable et une référence des paramètres. En complément, les pages « Comment ça marche » de l'application donnent un aperçu du fonctionnement de chaque solveur, de ses principes et paramètres clés, et des principaux points d'attention pour obtenir de bons résultats. Cela convient à l'apprentissage en autonomie, comme à un enseignant qui montre à sa classe ce qui se passe quand un réglage change.

Honnête sur ce qu'il est

Visaria utilise une grille de voxels grossière et des solveurs conçus pour le temps réel : ses résultats sont donc indicatifs. Il est conçu pour vous aider à comprendre le comportement de la physique, pas pour produire des chiffres d'ingénierie validés. Ne l'utilisez pas pour valider une conception, pour une certification ou pour des décisions de sécurité.

Élèves, étudiants, enseignants et essai

L'essai gratuit de 7 jours comprend les solveurs Aero, Gas, Thermal et Water, avec un accès d'échantillon au Centre d'apprentissage, et ne demande aucune carte bancaire. Visaria s'adresse aux personnes de 13 ans et plus. Des licences étudiantes à tarif réduit sont disponibles sur demande pour les personnes de 16 ans et plus en formation à temps plein (un parent ou tuteur fait la demande et l'achat si vous avez moins de 18 ans). Les enseignants et formateurs peuvent se renseigner sur les licences pour classes, laboratoires et départements à education@visaria.dev. Consultez les tarifs pour les formules standard.

Vérifiez d'abord l'ordinateur. Visaria fonctionne sous Windows et nécessite une carte graphique dédiée : une NVIDIA GeForce GTX 1050 ou une AMD Radeon RX 560 au minimum, et une RTX 2060 ou RX 5600 XT, ou mieux, est recommandée, avec un Intel Core i5 de 8e génération (ou équivalent) et 8 Go de mémoire. Les versions Mac et Linux arrivent bientôt. L'essai gratuit est le moyen le plus rapide de vérifier que Visaria fonctionne bien sur votre ordinateur. De nombreux ordinateurs scolaires n'ont pas de carte graphique dédiée : essayez donc l'essai sur la machine que vous comptez réellement utiliser. Si un ordinateur de bureau n'en a pas, ajouter une bonne carte graphique dédiée peut coûter moins de 150 $ et c'est un bon investissement : elle améliore nettement les performances en général et permet à Visaria de briller.