STEM 仿真软件：看见压力、流动、浮力和热量

您可以改变、并能看到响应的物理

在教科书里，压力、浮力和传热是图示和公式。在 Visaria 里，每一个都是现场实验。您搭建场景，点击运行，物理过程就在您自己的显卡上以 3D 形式展开。然后改动一处，就能确切看到那一处起了什么作用。

它适合中学生和高中高年级学生、大学生、教师、创客、爱好者，以及任何好奇事物如何运转的人。

本页的每个示例背后都是同一个思路：改变一个变量，观察响应，再改回来。科学家和工程师就是这样培养直觉的，而当响应在几秒内出现，而不是等一次漫长的计算之后，这件事要容易得多。

压力、速度和流动

把一个形状放进气流中，Visaria 会按压力或速度给周围空间着色，并绘制出流线，显示空气的去向。您可以看到压力在形状前方累积，空气绕过它加速，流动与表面分离，并在后方形成旋转的湍流尾迹。

• 改变空气速度，观察压力和尾迹如何响应。
• 改变形状，从钝方块到光滑的流线型，看看尾迹如何缩小。
• 开启移动路面，它会改变车辆底部的流动。
• 在流动趋于稳定时读取阻力和升力数值，作为设计表现的参考。

这与风洞的思路相同，只是没有风洞。更多内容请见虚拟风洞页面。

热量产生浮力

热空气比冷空气密度小，所以会上升。这就是为什么暖气片能让整个房间变暖，为什么烛火会向上伸展，也是热气球能飞起来的原因。在 Aero 与 Thermal 求解器中，您可以亲眼看到：把一个加热的物体放在静止的空气中，一团热空气会从它上方升起，并从下方吸入较冷的空气。工程师把这种现象称为自然对流。

浮力是一种可以开启和关闭的物理效应。关闭时，热量只通过热传导和您设置的气流在空气中传播。开启时，热量会驱动自己的流动，整个画面都会改变。在同一个场景里对比两种情况，是理解浮力究竟增加了什么的最快方法。

开启和关闭各种物理效应

真实的传热是多种效应同时发生：固体中的热传导、流动流体带来的对流、密度差引起的浮力，以及表面之间的辐射。光靠思考很难知道每一种贡献了多少。在 Visaria 中，您可以在热求解器里把它们逐个开启或关闭，并观察响应。

• 仅热传导。热量在材料中缓慢传递，空气不参与。
• 加入对流。流动的空气会带走热量，所以风扇或微风会让温度产生明显变化。
• 加入浮力。热空气现在会自行上升，有没有风扇都一样。
• 加入辐射。热表面现在会隔着空隙与周围环境交换热量。

对比各次运行的结果，就能看出在特定情形下哪种效应最重要，以及散热片为什么要有鳍片。您看到的结果取决于场景，因此请在不同的设置上试试相同的开关。

上升的气体与下沉的气体

浮力在两个方向上都起作用。比空气轻的气体会上升并沿天花板扩散，较重的气体则会下沉并聚集在地面附近。在 Aero 与 Gas 求解器中，您选择一种气体，设置它从哪里进入、速度多快，再加入一些气流，然后观察烟羽。学习中心的主题“浮力有多强大”链接到现成的场景。

更多内容请见气体扩散仿真。

粘度改变一切

粘度是流体抵抗流动的程度，也就是它有多“稠”。它很容易定义，却出人意料地难以想象。在 Visaria 中，您可以改变它并观察后果：稀薄的流体会快速绕过障碍物并破碎成涡旋，而较稠的流体则以平滑缓慢的层流移动，并且更久地附着在表面上。同样的实验对水和空气都适用，尾迹的形状、紧贴表面的层，以及流动稳定下来的方式，都会随之改变。

用不同的粘度把同一个场景试两次，或者用同一种流体换一个障碍物。水绕过一个圆柱体和一组方块流动，每次运行看起来都大不相同，而弄清楚原因，就是理解流体动力学的开始。

波浪、晃动与自由表面

液体与波浪动力学求解器引入了自由表面，即水与空气之间的界面。您可以注入和排空容器，让波浪运动，观察水晃动并溅到墙壁上，还可以把障碍物扔进水里。波浪会反射、叠加和破碎，这些在 3D 中比在图示里更容易理解。更多内容请见水仿真。

按学科分类的实验

• 物理，从中学科学到高中高年级。运动流体中的压力和速度、流动中物体受到的力、浮力、密度、波的行为。
• 科学与热。热传导、对流和辐射，自然对流，为什么材料摸起来热或冷，气体的行为。
• 工程与设计技术。测试汽车、模型火箭、桥墩或散热片的形状。从 3D 打印或 CAD 程序导入 STL 文件，或在网格构建器中用简单形状搭建。
• 数学与计算机。仿真如何运作：网格、边界条件、收敛，以及为什么更多细节需要更多计算。面向学生的 CFD 页面对此有详细介绍。

结构分析（FEA），即力、应力和动力学，计划作为未来的求解器推出，目前尚不可用。

自带讲解

Visaria 包含学习中心：分步指南可直接链接到演示和场景设置，还有丰富的提示，以及可搜索的术语表和参数参考。此外，应用中的“工作原理”页面概述了每个求解器如何运作、关键原理和参数，以及要获得良好结果需要注意的要点。因此它既适合自主学习，也适合教师向全班展示改变某个设置会发生什么。

坦诚说明它是什么

Visaria 使用较粗的体素网格和为实时运算优化的求解器，因此结果仅供参考。它的目标是帮助您理解物理如何运作，而不是给出经过验证的工程数值。请勿将其用于设计审批、认证或安全决策。

学生、教师与试用

免费 7 天试用包含 Aero、Gas、Thermal 和 Water 求解器以及学习中心的示例内容，无需付款卡。Visaria 面向 13 岁及以上的用户。年满 16 岁、全日制学习的人可按需申请折扣学生许可证（未满 18 岁的由家长或监护人代为申请和购买）。教师和讲师可通过 education@visaria.dev 咨询课堂、实验室和院系许可证。标准方案请见价格。

请先检查电脑。Visaria 在 Windows 上运行，需要独立显卡：最低为 NVIDIA GeForce GTX 1050 或 AMD Radeon RX 560，推荐 RTX 2060 或 RX 5600 XT 及以上，搭配第 8 代 Intel Core i5（或同等）处理器和 8 GB 内存。Mac 和 Linux 版本即将推出。想确认它能否在您的电脑上流畅运行，免费试用是最快的办法。许多学校的电脑没有独立显卡，所以请在您打算实际使用的那台机器上试用。如果台式电脑没有独立显卡，加装一块不错的独立显卡费用可低于 150 美元，这是一笔很值得的投资：它能显著提升电脑的整体性能，也能让 Visaria 大放异彩。