【摘 要】
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马蹄波波面形状是由一个个马蹄状弧形波面构成,它是一种很强的三维非线性波,产生时波浪已经破碎或者面临破碎,伴随着能量共振、传递和耗散等一系列复杂的物理过程,其传播速度、波长、波高及波面形状都会发生显著的变化,表现出强烈的非线性特征,对海上建筑物能够产生很强的破坏性,因此研究马蹄波生成机理对海洋结构的设计有重要的意义。本研究给出了马蹄波产生的物理机理和理论分析,并通过物理模型实验研究了不同类型马蹄波,
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马蹄波波面形状是由一个个马蹄状弧形波面构成,它是一种很强的三维非线性波,产生时波浪已经破碎或者面临破碎,伴随着能量共振、传递和耗散等一系列复杂的物理过程,其传播速度、波长、波高及波面形状都会发生显著的变化,表现出强烈的非线性特征,对海上建筑物能够产生很强的破坏性,因此研究马蹄波生成机理对海洋结构的设计有重要的意义。本研究给出了马蹄波产生的物理机理和理论分析,并通过物理模型实验研究了不同类型马蹄波,包括L2型、传播L1型、振荡L1型和其他类型马蹄波的生成、演化规律和波形特征以及多种不稳定模式相互作用对马蹄波生成演化的影响。采用具有精确色散性和四阶非线性的数值模型模拟了马蹄波长时间演化的波形特征。（1）采用Stokes波的线性不稳定理论分析了马蹄波产生的机理,给出了马蹄波线性增长率、横向波长等物理特征,通过马蹄波波形叠加建立了海洋马蹄波形态的数学表达式。根据这一理论对不同的马蹄波进行了分类,并设计了生成不同类型马蹄波的实验技术,给出了实验中关于马蹄波弧形、横向波长和传播角的测量方法。提出了一种处理实验数据分析马蹄波各组成波的幅值和相位角空间演化的方法。（2）针对实验室中最容易产生的L2型马蹄波,在波浪水池内开展了一系列的物理模型实验研究。给出了 L2型马蹄波生成条件、临界波陡、各组成波的幅值和相位角空间演化特征、扰动波幅值理论增长率和实际增长率对比情况、波形再现和形态几何特征以及水深对波形的影响。作为理论和实验结果的补充,采用具有精确色散性和四阶非线性的数值模型对L2型马蹄波进行了数值模拟,研究了长时间演化的波形特征和演化规律;探讨了池长对L2型马蹄波传播演化的影响。（3）提出了一种新类型的马蹄波,即传播L1型马蹄波。给出了此类马蹄波生成条件和分类,对比了此类马蹄波的波形与L2型马蹄波的差别;采用可识别模式的方法研究了传播L1型马蹄波各组成波的幅值和相位角的空间演化规律;通过波形再现展现了不同发展阶段马蹄波波形的差异;讨论了波形的几何特征并给出了实验测量和理论计算的传播角的对比结果;采用精确色散性数值模型对传播L1型马蹄波进行了长时间的数值模拟,研究了长时间演化对马蹄波演化发展的影响。（4）给出了三种在实验室内生成振荡型马蹄波的方法,对比了三种方式产生的马蹄波波浪场的差异;比较了三种方式生成的马蹄波各组成波的幅值和相位角空间演化特征;再现了实验中振荡马蹄波的波浪场和三维波形;讨论了振荡马蹄波的波形几何特征并与同属对称形态的L2型马蹄波波形进行了对比;研究了振荡马蹄波的振荡周期并与理论预报结果进行了对比;探讨了水深对振荡马蹄波波形的影响。（5）对其他类型马蹄波开展了一系列的实验研究,主要针对两类典型不稳定模式生成的马蹄波进行了波形特征和演化规律研究。给出了两类不稳定模式生成马蹄波各组成波幅值和相位角的空间演化规律;讨论了两种模式的差别;分析了不同的初始扰动频率对波形的影响。（6）讨论了马蹄波演化过程中第一类不稳定性和第二类不稳定性的相互作用,分析了二者对马蹄波演化的影响;分析了多种不稳定模式在马蹄波演化过程中的相互作用,并与理论预报结果进行了比对。
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