水平板式结构是一种海洋工程领域中常见的结构简化形式,例如平板式防波堤、平板式海洋能发电装置、超大型浮体等。在研究这些工程结构在海洋环境中水动力特征时,可简化认为是淹没在水面以下、有一定厚度的平板结构。如何快速准确地估算该类结构在真实海洋环境中的动力响应在工程实践中具有重要意义。考虑到近海或近岛礁实际海底条件,当结构尺度较大或者当地水深较浅时,海底地形的变化将成为影响结构波浪载荷重要因素之一。本文即针对二维淹没水平板式结构,采用理论分析、模型实验和数值模拟多种研究手段,总结了不同来波条件下、考虑海底地形变化时该结构形式在波浪作用下的响应特征。本文研究工作主要分为以下三个方面:1、基于线性势流理论和特征函数匹配法,针对变化地形问题推导了平板下方区域的速度势,建立了考虑地形变化的二维淹没水平板波浪散射问题理论解。考虑不同相对波长的规则波,针对三种典型的海底地形——简单斜坡地形、隆起地形和组合地形,基于该理论解,计算了不同地形上水平板反射系数以及波浪载荷随着相对波长的变化。线性理论结果显示,变化地形上对水平板最大反射系数影响显著,而变化地形对波浪载荷的影响不明显。具体来说,对于简单斜坡地形和隆起地形,相对斜坡高度或者相对隆起高度越大,最大反射系数越小。而水平板受到的水平力和垂向力未见显著变化,最大倾覆力矩将随着相对斜坡高度或者相对隆起高度的增加而减小。通过对不同地形条件下结构上下表面压力振幅的对比得知,变化地形对平板上表面和下表面的压力分布都有影响,平板上表面随着相对波长的不同而波动变化,而平板下表面压力振幅受地形的影响更明显,总体上较平底地形结果而言,平板迎浪端的压力振幅增加,背浪端的压力振幅减小。考虑到孤立波这一特殊波形在海啸等问题中实际应用意义,本文基于浅水长波假定,利用傅里叶变换在频域上求解了变化地形上孤立波-平板散射问题的线性理论解。同样地,分析了上述三种典型海底地形对孤立波作用下水平板波浪载荷的影响。结果显示,变化地形对孤立波作用下水平板波浪载荷影响显著。随着相对斜坡高度或者隆起高度的增加,水平力的最大值和最小值将会变大,倾覆力矩的峰值也会变大,垂向力的变化则需分情况讨论:单一斜坡上,垂向力的第一个峰值将变大,负向峰值则变小,第二个峰值也变小;凸起地形上则未观察到不同隆起高度对垂向力的影响;组合地形上斜坡的凹凸情况较单一斜坡而言对垂向力影响不大。2、本文针对大尺度平板结构进行了物理模型实验并测量了规则波和孤立波作用下的波浪载荷。针对该模型设计了一套波浪载荷测量系统,以1:10简单斜坡地形为例,开展一系列规则波和孤立波模型试验,对波面、波浪力以及平板下表面压力分布进行了测量,讨论了变化地形对平板波浪力的影响。对于规则波实验工况,先是分析了结构所受波浪载荷的非线性特征,给出了波浪力各阶组分随着相对波长的变化情况,然后通过对比平底地形测量结果发现,目前布置的1:10斜坡地形在中等水深情况下对该结构所受到的非线性波浪载荷的影响很小。而对于孤立波实验工况,1:10斜坡地形对水平板所受波浪载荷影响显著,主要体现在:垂向力的第一个峰值变大,而负向垂向力的极值则显著减小,负向倾覆力矩略微变小,倾覆力矩的第二个峰值随着波高变大显著减小。还给出了用于估算1:10斜坡地形上孤立波作用下水平板所受波浪力的经验公式。3、本文还建立了基于SPH方法的二维数值水槽并对于波浪平板相互作用问题的开展了数值计算。为了得到结构周围流场等信息,从机理上研究变化地形上该结构水动力学特征,首先基于SPHysics进行二次开发,并通过一系列验证算例,实现了数值造波、消波功能,给出了数值模型中各参数的合理范围。利用该数值模型,计算了规则波和孤立波与淹没水平板相互作用问题。综合对比理论和实验部分的结果,可以看到:对于规则波-平板问题,1:10斜坡地形上计算结果未见与平底地形有显著差别,这与实验部分所得结论一致;对于孤立波-平板问题,SPH数值模型在1:10斜坡地形上波浪力较平底地形时变化规律与实验测量一致。平板上下表面压力结果对比显示,变化地形时平板下方过流截面减小,同时靠近背浪端的区域压力增大。数值结果还给出了斜坡地形上该区域出现的高速流动以及更强烈的漩涡结构等复杂流动形态,这些因素共同使得结构受力不同于平底情况。