更新时间：2022-08-25 13:32
水模型（Water model）是指使用水进行数值仿真，进行模拟试验。
水力学模拟实验装置采用无色透明有机玻璃组成，如图1所示。
在实验过程中，用水模拟钢液，用油模拟保护渣。整个模型由供水系统、结晶器系统、出水系统、供气系统和测试系统五大部分组成。结晶器上部采用蓄水槽供水，供水量由浸入式水口上部水阀控制。蓄水槽有两路供水管路供水，以保持蓄水槽内液面的稳定。
结晶器系统由一个1.8m长的结晶器空腔和两条有机玻璃插板组成。板坯宽度由两条插板根据需要随意调整。结晶器底部出水端均匀布置四个等径的圆孔，并利用水阀控制流量，目的在于防止结晶器底部出水口形状影响上部流场，以便尽可能精确地模拟结晶器原型中钢液流动状态。
供气系统由气瓶、气压计、气阀、转子流量计构成。测量系统包括液面波动测量和液面速度测量两个子系统。在结晶器窄面处，将浪高仪探头插入到油水界面以下;将测速装置固定在铸坯宽面的1/4处，测速探头置于油水界面以下，把液面的速度信号利用形阻片转变为电阻信号，再利用动态电阻应变仪将电阻信号转变为电压信号。
几何相似(或尺寸相似)指模型和原型的形状相同，并且模型主要尺寸依据原型按照一定比例放大或缩小。在实际的水模型的设计过程中，一般是按比例缩小，最好采用1:1 。全比例模型为宜；如果采用缩小尺寸模型，缩小比例不要小于1:5。
在两个几何相似的流场中，如果流场中流体质点的运动情况相同，即各对应点在对应时刻上的速度和加速度方向一致，大小保持相同的比例，则称模型和原型满足运动相似。
动力相似是指作用于模型和原型中流体上的相应的力的方向一致，大小互成比例。为满足模型和原型的动力相似，必须保证模型和原型中流体受力性质相同并具有相同的比例。
作用在流体上的力可能有若干个，例如，重力、赫性力、表面张力、压力、电磁力等。为了应用方便，通常将两种不同性质力的商定义为一系列的无量纲相似准数，如雷诺准数(Reynolds Nuuiber)，弗劳德准数(Froude Nun}er }，格拉晓夫准数(Greshof Number)和韦伯准数(Weber Number)等。
模型和原型的流动相似必须满足几何相似、运动相似和动力相似。相似的现象必须遵循同一个客观规律，即可以用相同的微分方程进行描述，并满足单值条件相似。单值条件包括：
完全相似，要求模型和原型满足几何相似、运动相似和动力相似，并且具有相似的初始和边界条件。但在实验过程中，要满足两个以上相似准数相等是很困难的，有时甚至是不可能实现的。
一般而言，如果要满足两个相似准数相等，模型中流体介质的选择就要受到模型尺寸选择的限制。如果要满足3个相似准数相等，模型中流体介质的其他物理量也要受到限制。在如此苛刻的要求下，模型实验往往难以进行。
因此，在工程上通常采用近似的模型方法，即分析相似条件中哪些是主要的，对工艺过程起主导作用;哪些是次要的，不会对工艺过程起主导作用。在模型实验设计中尽量保证对工艺过程起主导作用的条件;对次要条件只作近似保证或忽略不计。这样既满足实验研究，又不引起较大的偏差。
采用水模拟钢液的流动在于利用流体流动的“稳定性”和“自模化性”;
流人管道的流体，即使人口速度分布不同，但只要流经的距离足够长，流体速度分布就会固定下来，且不再改变。这种流体流动特性被称为充分发展流动或流动的稳定性。因此，在进行水模型实验时，只要保证在水模型的人口和出口具有一段几何相似的稳定区，就可以保证在水模型的人口和出口处流体流动与原型的相似。
自模化性是指流体流动在一定条件下自行相似的现象。雷诺准数是判定自模化性的常用准数，即
式中：
当雷诺数小于第一临界值时，流动呈层流状态，流体速度分布彼此相似且与雷诺数值的大小无关。如圆管中的层流流动，虽然不同雷诺数下管道中流体运动速度不同，但沿管道截面的速度始终保持轴对称的旋转抛物面分布，这种流体流动特性被称为“自模化性”。
当雷诺数大于第一临界值后，流动处于由层流到湍流的过渡状态;此时，随着雷诺数的增加，流体的紊乱程度和流体速度分布变化很大，而后逐渐减小。
当雷诺数达到第二临界值后，流动再次进人自模化状态;随着雷诺数的增加，流体流动状态与速度分布都彼此相似。通常将雷诺数小于第一临界值的范围称为“第一自模化区”，而将雷诺数大于第二临界值的范围称为“第二自模化区”。
对于光滑圆管而言，第一临界雷诺数为2000，第二临界雷诺数为aaoo。在进行水模型研究时.只要水模型与原型中的流体流动处于同一模化区，即使水模型与原型的雷诺数不相等，也能保证流体速度分布相似，这为水模型实验的开展提供了便利条件，即当原型中的雷诺数远大于第二临界值时，只要水模型的雷诺数略大于第二临界值，就能做到流动相似。由于结晶器内钢液流动一般是湍流流动，因此，水模型的雷诺数必须大于第二临界雷诺数。
结晶器水模型实验一般采用一个或两个决定性准数相等即可满足要求。采用1:1水模型能保证原型和模型的雷诺数和弗劳德准数相等，否则在大多数情况下只能保证一个相似准数相等。由于结晶器水模型及原型的雷诺数超过了100000，属于第二自模化区范围，因此保证模型与原型弗劳德准数(Fr)相等，就能保证两者的动力相似。弗劳德准数可表示为
式中
设下标p代表原型参数，下标m代表模型参数，根据弗劳德准数相等，可以列出下式
即
式中
—分别为结晶器原型和水模型浸人式水口出口处流体速度，m/s;
—分别为结晶器原型和水模型浸入式水口出口处的特征尺寸，m。
结晶器原型中浇注的钢液体积流量Qp（单位为m3/s）由板坯宽度Lsp(单位为m/s)，厚度Lbp（单位为m），和拉速Lcp（单位为m/min）决定，即下式
根据进出口流量守恒原则，结晶器原型中浸入式水口出口的钢液体积流量必须满足
CE－QUAL－ICM由美国陆军工程兵团水体试验基地的Carl F.Cerco和Thomas Cole等人开发，ICM代表集成网格模型，该模型的建立最初是为了应用于美国弗吉尼亚的切萨皮克湾（Chesapeake Bay），它能模拟一维、二维、三维水体结构，它能够模拟大量的水质变量，如：不同种类藻、不同形态碳、不同形态氮、不同形态磷、不同形态硅、化学需氧量、溶解氧、盐度、温度、金属等，对于这些状态变量可以根据自己的需求进行开关设置。但它本身没有水动力模块，所以必须从别的模型中获得流量、扩散系数和蓄水量等信息。在指定观测资料和子程序的基础上，能够模拟计算底质－水界面的氧和营养盐的转化通量。如果在计算过程中计算机突然中断或发生其它类似的情况，由于程序中设置了热启文件重新启动计算机后可以继续计算，有效避免了重新计算的发生。模型对于输入输出文件没有固定时间步长的限制，可以根据自己的实际情况任意设定时间步长，这是该模型的又一大优势。
模型具体结构分布情况见图2，模型由主程序、输入输出文件和子程序组成，在处理大量输入输出文件的时候，主程序和子程序根据各自功能都能够执行读入写出的任务，模型的主程序包括3个基本的功能：
⑴对于模型运行的输入输出文件能够制定详细的说明；
⑵3维质量平衡方程的解法；
⑶处理指定的期望输入输出文件。
在大部分应用中它与美国陆军工程兵团的另一个水动力模型CH3D－WES(曲线网格水动力三维模型)合用。它是目前世界上发展程度最高的三维模型之一。
CE－QUAL－ICM模型以浮游植物和水生生物的生长动力学为核心，以C:N:P这三个主要元素的比例反映浮游植物和水生生物与水体环境中营养盐之间的竞争转化关系。模型不仅考虑了浮游植物的三种藻类（蓝藻、绿藻和硅藻）以及用不同的动力学参数、半饱和常数、新陈代谢速率等影响因子加以区别，还考虑了有机营养盐在矿化过程中根据降解速率的不同分为难分解（REFRACTORY）的营养盐、易分解（LABILE）的营养盐和溶解（DISSOLVED）的营养盐。
浮游植物和水生生物生长动力过程在富营养化作用中起着非常重要的作用，影响着其它所有系统。图3反映了浮游植物和水生生物动力学变量作用关系。