水波的破碎问题是近岸海域内最为重要的水动力学问题之一,也是理论分析、实验观测和数值模拟的难点问题。本文旨在建立一个可用于分析极限波运动和变形的高精度的数值模型,研究水波的破碎机理,分析表面张力对极限波的影响。本文建立了耦合了Phase-Field和VOF方法的新界面追踪方法,完善了配套的数值模型及网格系统。新的耦合方法综合了传统的间断表面方法和新近引入流体力学计算领域的扩散表面方法,结合了两类方法的优点;提出了一种新的边界条件处理技术,保证了计算的精度。模型求解基于有限体积法和PISO算法,求解简便,稳定性强。新的耦合模型经验证,能够高精度的计算复杂表面问题,并且相对于非耦合模型极大的提高了计算效率,节约计算时间。本文将耦合模型应于极限波问题的研究。对于行进波问题采用了周期性边界条件及动坐标系,将计算域缩小到单个波长,并采用受迫压强造波,控制极限波的初始能量。计算条件考虑了不同初始能量,研究了对应状态下的极限波形态。研究表明,在保证网格精度足够并且排除了表面张力作用的情况下,极限波的波峰处均会形成水舌。较强的初始能量迫使水波更早的达到极限状态,水舌的尺度以及水波处于极限状态的持续时间随着极限波初始能量的减小而减小;水波的漂移速度同样随着极限波初始能量的减小而小减;波峰处水质点的最大速度会超过线性波理论计算得出的波速,与经典理论相符。对于驻波问题,采用了晃荡造波法,研究了晃荡问题中的极限驻波问题。通过改变晃荡的方式和振幅、振荡时间等参数,模拟了两类不同的极限驻波形态,结果与实验观测吻合良好。耦合模型还用于研究表面张力对极限波的影响。通过改变表面张力系数和极限波的初始能量,分析了表面张力作用和惯性作用的相对强弱对极限波形态的影响。研究表明,对于较强的卷破波,表面张力集中作用于水舌前端和颈部,让水舌前端变圆,降低水舌的射出角度,减小水舌的射出距离,与前波面形成的空气间隙也随之变小;对于较弱的卷破波,表面张力集中作用于凸起水体前端和趾部,阻止水舌的形成,波峰处的凸起增大到一定程度后,在重力的作用下沿前波面下滑,倾向于形成崩破波。