波流相互作用是非线性水波动力学的重要研究方向,也是海洋工程中重点关注的问题之一,目前对波流相互作用有很多理论研究和模拟实验。然而,现有的研究多局限于一些基本假设,对于非线性波浪和剪切流的研究仍然存在不足。本文采用物理模型试验的方法,在波流水槽中研究规则波和聚焦波浪以及它们在均匀流和剪切流中的传播过程,本文主要对波浪特征和水动力特性两个方面进行研究。首先通过波面历时曲线对波浪特征进行动力学分析,然后基于DPIV(数字粒子图像测速)技术对水流和波浪流场进行分析,其目的在于研究水流对波浪非线性特征和波浪运动学特征的影响,同时探究波浪与复杂水流相互作用的机理。本文首先对波浪和水流的物理模型进行介绍,详细说明了试验布置、DPIV技术方法、波流参数、剪切流的产生方法。然后对静水条件下波浪试验、不同水流条件下波流相互作用试验进行深入分析研究,得出了以下研究结果:在静水中进行规则波的试验,重点分析其波浪特征和波浪流场,结果表明5阶Stokes波浪理论能很好地描述波浪特征。然后在此基础上进行聚焦波浪试验,研究发现其波面特征与高阶波浪理论同样有很好的一致性,本文通过统计和对比发现,取聚焦点最大波峰与左侧相邻波谷的高差为波高、其时间间隔的2倍为周期为参数的5阶Stokes波理论解可以较好地描述聚焦波波浪流场垂向流速分布。在均匀流场和剪切流场中进行规则波的试验,首先在高阶波浪理论的基础上引入多普勒原理进行分析均匀流和规则波相互作用,表明了多普勒频移解能很好地描述波高和流场特征。然后通过分析剪切流和规则波相互作用,发现涡量分布对波高特征以及波浪不对称性都有减小的重要影响。同时对比不同水流对波浪的影响,建立不同的理论模型与实测数据的比较发现涡量对于色散关系有重大改变,从而影响波浪特征和流场特性。在均匀流场和剪切流场中进行聚焦波的试验,首先对比不同水流作用下相同波况的聚焦波幅,发现当逆向剪切流(涡量为正值)时,涡量减小了波幅的增加,然后通过分析不同水流作用下聚焦波极限破碎状态,表明了正向涡量对于极限波高的增加起到重要影响。同样,参照在静水状态下描述聚焦波波浪流场垂向流速分布的方法,基于多普勒原理对聚焦波浪在均匀流场的特征进行研究,验证了静水条件研究聚焦波浪的方法同时适用于均匀流条件。同时对破碎波浪的流场进行观察与分析,准确提供了破碎状况的波浪特征和流场特性。