水动力学实验设备主要服务于船舶与海洋工程装备研发领域。水动力学实验主要包含实船实验和模型实验。实船实验即实尺度船舶在自然条件下的实验，相应的设备即实船实验设备。模型实验即采用物理模型在实验室进行缩尺模型实验，相应的设备即模型实验设备。船舶及海洋工程装备体量宏大，缩尺模型实验是主要研究手段。

开展水动力学实验的主要目的是通过实验设备测试船舶与海洋工程装备（缩比模型）对象在满足力学相似关系条件下的水动力学特性，提供相应的水动力学环境与平台响应之间的量化关系和规律，评价平台的水动力学性能，给出性能优化方向来支撑平台的总体设计。

以船舶与海洋结构物为主要对象的水动力学模型实验设备，按形态特点主要分为水池、水筒、水槽等。水池是模拟特定的水域环境，实验物体在其中运动；水筒和水槽则是水介质可控流动而实验物体固定。

具体而言，水动力学实验设备主要有拖曳水池、耐波性水池、操纵性旋臂水池、自航模露天水池、空泡水筒、循环水槽、海洋工程水池、船用低速风洞、分层流水池、出入水水池、消声水池、冰水池等。

除了以上所提的主设备，还有测试和数据采集设备、计算和分析设备及其他辅助设备。这些设备及其技术的发展也是水动力学实验技术进步的重要方面，如多分力动力仪、高速摄像机、粒子图像测速仪、浪高仪等。

19世纪60年代，英国船舶设计师W.弗劳德（又译傅汝德）首先提出用船模实验的方法确定实船在航行时所遭受的水阻力。1871年，弗劳德在英国托基主持建造了世界上第一座用拖车拖曳的船模实验池，进行了平板和船模实验，后续又对船舶推进、操纵以及横摇性能进行了模型实验，并提出了船舶阻力预测所需遵循的弗劳德准则。

由于模型实验在预测实船航行性能以及船型改进等方面的巨大作用，欧美先进造船国家纷纷建立了众多的船模拖曳水池及其他水动力学实验设施。随着世界造船工业中心向远东转移，中国、日本、韩国也建设了一批水动力学实验设施，并在世界舞台上逐渐占据了规模上的优势。国外拥有较完善的水动力学实验设施的知名研究机构有美国泰勒水池（NSWCCD，即海军水面作战中心卡德洛克分部）、俄罗斯克雷洛夫国家研究中心（KSRC）、日本海上技术安全研究所（NMRI）、德国汉堡船模实验水池（HSVA）、荷兰水池（MARIN）和瑞典国家水池（SSPA）等。

中国于1954年在上海建成第一座船模实验水池（长70米，宽5米，水深2.5米）。中国船舶科学研究中心于1965年在无锡建成了世界著名的深水拖曳水池（长474米，水深7米，实验段池宽14米）。各研究机构及相关高校陆续建成了不同类型的船模实验池，中国的造船科学研究工作也取得了跨越式的发展。

经过近代百余年的发展，水动力学实验设备已成为工程力学范畴有代表性的重要实验设施分支，并在水力与水工学、航空学（水上飞机）、海洋学等多个学科交叉方向上获得广泛的应用。

应用水动力学实验设备开展水动力学实验及预测实体水动力性能，主要依据的是流体力学中的相似理论。模型和实体的两个系统应该满足几何相似、运动相似和动力相似三个相似条件。

①几何相似。模型和实体虽然大小不同，但其几何形状应完全相似。

②运动相似。模型和实体在流体中运动时，其对应点处在任意瞬间的同类物理量，如流体的速度、加速度等都应保持相同的比例。

③动力相似。流体作用于模型和实体上的各种力相互成比例。这些力包括重力、惯性力、黏性力和表面张力等。

实践证明，要完全满足所有性质的力学相似（称为完全相似）是不可能的。通常都是依据具体的实验研究对象与主要实验目的，选择合适的相似准则，以满足起支配地位的力学相似，这在相似理论中称为部分相似。

弗劳德于1871年创立船模实验方法时，提出了船舶阻力预报所需遵循的弗劳德准则。模型实验应满足弗劳德相似定律，即模型和实体的弗劳德数（）相等，以保证模型和实体之间重力和惯性力的正确相似关系。此外，物体在波浪上的运动和受力会带有周期变化的性质，模型和实体还必须保持斯特劳哈尔数（）相等。即：

式中分别为特征速度、特征线尺度和周期（或时间）；下标及分别为模型和实体。

弗劳德相似保证了模型与实体之间的重力和惯性力的正确关系，但在模型水动力实验的某些方面，要求正确模拟黏性力的相似。雷诺相似准则可以保证模型和实物之间的黏性力与惯性力的正确关系，这就要求模型和实体的雷诺数相等，其中为水的运动黏度。

由于尺度的较大差异，在船舶和海洋工程领域的水动力学实验中，一般不可能做到模型和实体两者的雷诺数相等。一般情况下，模型的雷诺数较实体的雷诺数要小两个量级（10²）。也就是说，模型所经受的极值运动和受力按比例都将小于实体的情况，用模型实验的结果相比直接预测实体的情况将偏小，给实际应用带来一定的风险。

有关雷诺相似准则的研究已有近百年，而且还在持续，都是针对具体情况采取适当措施弥补。如在模型表面增加粗糙度或激流装置以保持模型界层中的流动状态与实体一致，有些实验则调节模型构件的直径而作为阻力系数误差的修正。有些则进行不同缩尺比几何相似构件的系列实验，然后用于计算分析时作为误差的修正。

主要流程包括实验模型缩尺比的选择、实验模型的制作、实验测量仪器的标定及模型测试校验、实验的实施、实验误差分析与数据处理。具体流程根据实验类型不同而有所变化。

水动力学实验主要分为以下六类：快速性实验、空泡/脉动压力及流场实验、耐波性/波浪载荷实验、操纵性实验、流场及流体动力特性实验、冰区船舶及海洋结构物性能实验。具体而言，水动力学实验设备及从事的实验内容主要有：

主要进行船舶等各类水中运动体（缩比模型）直航机动状态下的水动力特性实验测试，在弗劳德数相似的前提下，提供流场（含波浪场）、平台水动力及其运动响应等物理量的测量结果，支持平台功率性能预测和构型优化。

可以进行封闭、降低内部气压，并满足在低气压环境下开展实验的特殊拖曳水池。此类水池可同时满足弗劳德数和空化数相似，因此特别适合开展需要同时满足航速要求、自由表面兴波和外界大气压力相似的实验，如高速船舶水翼空化实验、气泡尾迹实验、船后螺旋桨空化及自航实验，以及气垫船、气泡减阻等特殊船舶、特殊技术的性能研究需求。

主要进行螺旋桨等船用推进器（缩尺模型）的空化物理现象观测及其有/无空化时的模型水动力特性实验测试，在空化数相似的条件下，提供流场、模型水动力等物理量的测量结果，支持推进器的水动力性能预测和优化。

主要进行船舶、水下物体、船后推进器等缩比模型的水动力学特性实验测试。与拖曳水池相比，更有利于水动力噪声的测试。在弗劳德数和空化数相似的条件下，提供流场、水动力、振动与噪声等物理量的测试结果，支持平台水动力及噪声性能预测和构型优化。

开展水动力学机理研究的实验设备。具有多种可更换的实验段，可控制水中气核含量并进行含气量测试监控，具备小尺度下进行空化及水动力学机理研究的方便条件。

主要进行船舶及海洋工程装备（缩比模型）风浪环境水动力效应的实验测试，在弗劳德数相似的条件下，提供各种波浪、航速和浪向下的平台运动及水动力响应等物理量的测量结果，支持平台耐波性能预测和构型优化。

主要进行约束船模的操纵性水动力实验测试，在弗劳德数相似的条件下，提供平台变向、变角速度机动运动时的水动力及运动响应等物理量的测量结果，支持平台操纵性水动力性能预测与构型优化。

一种露天的水动力学实验设施，主要应用自由自航船模从事各种水面船舶操纵性实验，特种船舶、潜器等仿真实验及特种工况下的仿真实验，简称露天水池。

主要进行船舶等各种水中结构物（缩比模型）绕流场与流体动力特性的实验测试，在雷诺数相似的条件下，提供平台及其附体的绕流场、水动力/气动力等物理量的测量结果，支持平台水动力/气动力载荷、操纵性水动力性能预测以及构型优化。

可模拟冰区航行环境，开展冰区船舶及海洋结构物（缩比模型）的抗冰载、航行性能的实验测试和实船性能预测。

水动力学实船实验开展的主要实验内容有：实时快速性、实船操纵性、实船及海洋工程耐波性实验；风、浪、流环境条件测量；船舶在静水及风浪中各种工况下船体瞬态运动测量；实船螺旋桨脉动压力、噪声测量及各种旋转机械轴的转速、扭矩测量；各种潜水装备的潜水深度及压力测量；锚链力测试等。由于实船实验是在真实海况下获得的第一手资料，具有重要的参考价值。

随着计算机和计算技术的发展，除了实船实验和物理模型实验，数值模拟成为研究问题和解决问题的一种重要手段，基于计算流体力学理论的数值水池技术的研究逐渐成为热点。

采用物理模型在室内进行实验，不受自然环境条件的限制，实验内容可以多样化且可重复进行，所花的人力、物力、时间都比实船实验要少。因此，以船模性能实验为主的水动力学实验仍是评价船舶性能的主要手段，船舶航行性能各学科的理论发展也离不开模型实验。世界上造船工业发达的国家，无不重视水动力学实验设备的建设并相应地发展水动力学实验技术。

当然，物理模型实验不能完全取代实船实验的作用，不能单纯地用船模实验结果去全面地评价实船的航行性能，必须找到船模与实船实验结果的内在联系，掌握从模型实验结果换算至实船的基本规律。而数值水池中进行的虚拟实验，也无法完全取代在物理水池中进行的模型实验及真实海况下的实船实验。

因此，水动力学实验设备的建设和发展，在未来较长时间内仍具有重要价值。将模型实验、实船实验、数值模拟有益结合，取长补短，能够更好地满足船舶与海洋工程领域研究、设计及工程应用的要求。