马蹄波是一种特殊的三维波浪,它波高很大,产生时波浪已经破碎或者临界破碎,对海上航行和建筑物具有较大的破坏性。由于马蹄波的实测资料较少,研究工作并不深入,其演化形态和影响因素等还不十分明确。研究马蹄波的生成机理、传播演化及其对结构物的作用,在非线性科学研究和海岸及近海工程都有着非常重要的科学价值和实际工程意义。本文应用物理模型实验系统地研究了马蹄波的生成和演化及其对圆柱体的作用,并研究了采用高阶Boussinesq方程对马蹄波数值模拟的方法。(1)在三维波浪水池内开展了马蹄波的实验,研究了不同相对水深对马蹄波的波面形态、波高的水平和垂直几何参数以及波幅谱的影响。通过在造波过程人为加入扰动波的方法生成了大面积均匀波列的L2型马蹄波,具体讨论了不同相对水深和周期情况下,马蹄波形成位置、波幅谱和组成波波幅的演化规律。较大的初始波陡是形成马蹄波的必要条件,通过—系列波陡由小到大的实验,找出了不同相对水深下产生马蹄波的临界波陡。通过实验结果给出了不同相对水深下Stokes波演化形成的马蹄波的形态特征参数,以及马蹄波的演化特征。(2)讨论了马蹄波实验结果中Benjamin&Feir不稳定性(Stokes波第一类不稳定性)对马蹄波(Stokes波第二类不稳定性)演化的影响。利用Fourier变换理论分析了马蹄波的谱特征,找出了Stokes波演化成马蹄波过程中,波浪波幅谱和各阶谐波的波幅的变化规律,进而分析了第一类不稳定和第二类不稳定的演化规律和二者对马蹄波演化的影响。通过对波浪不同演化阶段波幅谱的分析,证实了在马蹄波沿空间演化的同时,也存在着Benjamin&Feir不稳定性的增长和演化,后者在水池后部区域增长较大,可能是导致该区域马蹄波消失的原因。(3)提出了一种在实验室内生成振荡型马蹄波的实验方法。在实验室内成功地生成了振荡型马蹄波,测量了马蹄波的振荡周期,研究了不同相对水深对该马蹄波特征的影响。同时也分析了其他不对称扰动波频率的扰动波所产生的不同类型的马蹄波,讨论了除L2型马蹄波和振荡型马蹄波之外的其他类型的马蹄波。(4)进行了马蹄波对圆柱体作用的物理模型实验。测量了马蹄波所产生的圆柱体上的波浪压力,分析了波浪压力的非线性特征,得到了马蹄波所产生的波浪压力与Stokes波所产生的波浪压力的不同特征,为研究马蹄波对海洋结构物的作用提供了实验结果。(5)研究了采用水平二维计算模型数值模拟马蹄波的方法。以往的数值模拟研究都是采用三维计算模型,但工作量很大,不利于大面积长时间尺度的马蹄波数值模拟,这对马蹄波的模拟形成了限制。为了克服这—限制,本研究工作采用了精确到O(μ~2)(μ为相对水深kh)完全非线性的高阶Boussinesq方程(BouN2D4模型)模拟了波浪演化生成的马蹄波。证实了该模型可以模拟出在相对水深kh较小时(实验水深h=0.2m～0.4m,波周期T=1.0s)的马蹄波波形。通过将数值结果与实验结果进行对比,讨论了数值模拟所得到的马蹄波的精度,并对应用此类模型对马蹄波数值模拟进行了分析和展望。