在水洞中可以开展水下航行器、推进器、螺旋桨等有关的空化、水弹性、作用力等问题的研究，同时水洞在不可压缩边界层、湍流、尾流、分离流、旋涡流动等流体力学基础性、机理性研究中也发挥了重要的作用。水洞实验段截面绝大多数是方形或矩形的，实验段前后上下都有观察窗。与拖曳水池相反，在水洞中运动的是可控的水流，不是实验模型。水洞的结构和运转性能类似于亚声速风洞，只是实验介质不同。

世界上第一个水洞是由英国的C.A.帕森斯在1896～1898年间建立的，主要用于船用螺旋桨及其空化问题的频闪观测。在世界各国已有大小和种类不同的水洞有300余座。世界上最大的水洞在德国水工与造船研究所，其实验段长宽高为10米×5米×3米，最大水速为12米/秒。世界上实验速度最大的水洞是美国宾州大学的超高速水洞，其实验段直径仅为0.04米，最大速度为109米/秒。

按照水洞实验段流速不同，可将水洞分为超高速水洞（流速为50～110米/秒）、高速水洞（流速为15～35米/秒）、低速水洞（流速＜10米/秒）和流动显示水洞（流速＜1.5米/秒）。空化问题的研究通常只能在较高流速（通常流速＞40米/秒）的水洞中进行，高速空化水洞是一个流速和压力可以分别控制的水循环系统。

水洞的循环方式包括垂直循环、水平循环和无循环等方式。水洞的驱动方式包括螺旋桨或水泵驱动、引射器驱动和重力驱动等方式。水洞实验段通常有水平放置和垂直放置两类。常规的低速循环水洞结构与低速循环风洞结构类似，包括安定段、整流装置、收缩段、实验段、扩散段、回流段、动力段等装置。典型的高速空化水洞为垂直循环方式，水泵布置在较深的第二拐角以避免运转时水泵叶片处发生空化。高速空化水洞中为了控制、调节实验参数（例如实验压强）、保证流场品质，往往还配备了一般低速水洞不具有的增压系统、真空系统、重溶装置、除气系统、过滤系统等。

水洞实验主要的无量纲相似参数包括空化数、雷诺数、弗劳德数等，它们分别是研究空化、黏性影响、重力起作用的流动问题中重要的无量纲相似参数。在各类水洞中可以分别开展空化、测力和力矩、测压、测转速、测功率、测噪声、测流动参数，以及流动现象和流动机理等研究。