波浪的传播和破碎是海洋工程中的重要研究课题。现有的波浪在地形上的破碎指标大多针对二维地形条件,并基于单向的规则波或不规则波浪,忽略了地形纵向的变化。而实际海域中的地形条件往往较为复杂,并且波浪是多向的不规则波浪,因此针对多向不规则波浪在三维地形上的传播和破碎特性进行研究,对于实际近岸波浪特性及其与工程结构物作用的研究具有重要的意义。此外,波浪破碎现象的数值模拟研究是一个重要的课题。在采用OpenFOAM中的两相流模型计算波浪在斜坡上的破碎问题时,如果网格长宽比不等于1时会出现波浪的提前破碎现象。因此,有必要对该问题进行分析,并对两相流计算模型中的界面计算方法进行改进,避免波浪的提前破碎,建立可以有效模拟波浪破碎的数值计算模型。本文通过物理模型实验对波浪在三维透镜地形上的传播特性进行了研究。实验采用了两种水深,以模拟不同位置处破碎的波浪。在较低水位时,水面与地形顶部齐平,波浪在透镜地形前端的斜坡上破碎;在较高水位时,水面高于地形顶部平台,实验中采用了合适的波浪参数,使波浪在到达地形顶部后破碎,即波浪在平台上破碎,同时部分波浪会在继续传播的过程中在平台上发生二次破碎。物理模型实验研究结果表明,地形纵向上的变化对于波浪的传播特性具有较大的影响,由于受到透镜地形的波能聚焦作用,规则波、单向不规则波和多向不规则波等各种波浪在透镜地形上的沿程波高均大于相同坡度二维地形上的波高。但是当波浪在前坡上破碎时,由于波浪在透镜地形上的传播距离较短,受到的聚焦作用较小,用以描述波浪非线性强度的不对称度、偏度、峰度等参数以及波高分布与二维地形上的结果较为接近;而当波浪在地形顶部平台上破碎时,透镜地形上的波浪不对称度较大,当波浪周期较小时,透镜地形上的波浪偏度和峰度较大,周期较大时则相反。此外,当周期较小时,正向入射波浪的沿程波高大于斜向和多向波入射波浪的沿程波高,而当周期较大时,正向波浪的沿程波高较小,这是由于周期较大的正向波浪在斜坡上传播的过程中有较大的能量沿程损失造成的。同时,对于在三维透镜地形上的波浪破碎指标,针对不同的波浪类型和破碎位置,与二维地形的破碎指标进行了对比,结果表明,三维地形对于波浪的破碎指标亦有较大的影响。由于透镜地形的波能聚焦作用,透镜地形上的破碎指标大于现有的二维地形条件下得到的破碎指标公式计算值。对不同的破碎情况,选择适当的破碎指标对于实验结果进行了分析拟合,给出了本文透镜地形上相应的破碎指标计算公式。进一步,考虑在数值水池内模拟波浪与物理水池波浪一致,为进行三维波浪传播的数值模拟研究提供基础,采用动边界方法模拟造波机的运动,建立了三维波浪数值水池。为了扩大数值模拟斜向和多向不规则波浪的有效试验区域,数值模型采用了物理水池中常用的L形造波机布置,利用连续光滑的边界模拟造波机的运动,并建立了 L形造波机边界直角角部网格的模拟处理方法,避免了角部相邻网格之间的相互干扰。通过造波理论公式计算边界网格点运动,而内部网格点的运动可以平衡边界网格变形。同时对于模拟的正向规则波和不规则波,实现了主动吸收的功能。基于模拟的斜向规则波和多向不规则波,验证了数值水池模拟三维波浪传播的有效性。为了解决OpenFOAM中的两相流模型当网格长宽不一致时导致的波浪提前破碎问题,本文利用VOF方法质量守恒、Level Set方法能够更准确计算法向量的优点,构建了一种用于计算界面的VOF和Level Set耦合算法,从而可以有效地捕捉破碎波浪的界面。体积分数采用一种较新的VOF几何方法——isoAdvector方法计算,并在此基础上建立了基于等值面的界面重构算法,Level Set函数通过几何迭代方法进行计算并用于计算法向量。通过溃坝问题和Zalesak盘子问题的求解,验证了该方法的有效性,并将其应用于波浪在地形上传播破碎问题的求解,与实验结果进行对比,说明该方法可以较好地模拟地形上的波浪传播破碎问题。该方法在使用不同网格长宽比时,计算结果亦较为稳定,避免了当网格长宽不一致时导致的波浪提前破碎问题。可为进一步进行三维地形上波浪破碎的有效模拟提供基础。