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在实际的海洋环境中，海水密度往往是按层化结构分布的，即沿海水深度方向密度的分布是非均匀的。当海洋内部出现扰动时，在重力和柯氏力的共同作用下，偏离原有平衡位置的水质点将向原有位置运动，并在惯性作用下呈现出振荡的往复运动现象，这种发生在层化海洋内部的海水波动称之为海洋内波。内孤立波由于其频繁活动而成为内波的典型代表。非线性和频率色散之间的平衡是内孤立波在海洋中以恒定波形传播的原因。然而，现有的关于内孤立波与海洋结构物相互作用的研究还有许多问题值得去研究。因此，本文对包括内孤立波数值模型的建立、内孤立波数值造波方法的评估分析、内孤立波的传播演化研究、内孤立波与水平圆柱相互作用的模拟研究以及内孤立波与半潜平台相互作用模拟研究的5个方面进行了逐层递进的研究。
首先，本文基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM建立了内孤立波的数值模型。数值模型的建立基于耦合密度方程来求解雷诺时均的纳维斯托克斯方程。由于在内孤立波模拟过程中，初始密度场的分布是给定的，密度方程仅在内孤立波传播的过程中求解流场内密度分布的变化。数值模型采用有限体积法进行数值离散，利用PISO算法对计算过程中的压力-速度耦合进行处理。论文采用内震波和异重流两个算例对建立的内孤立波数值模型在处理非均匀密度分层环境中产生的波浪演化进行了验证。内震波算例中，数值模拟的流场速度结果能够与解析解吻合得很好。在异重流算例中，通过与包括MITgcm模型和BOM模型在内的海洋内波模型模拟的速度结果对比发现，本文建立的数值模型在模拟异重流演化过程中的速度场是准确的。通过对异重流演化过程中内涌浪、KH涡、混合涡等现象的捕捉表明本文建立的内孤立波数值模型具备处理非均匀密度分层环境中产生的波浪演化的能力。
然后，本文对不同的内孤立波数值造波方法进行了对比评估分析。对采用重力坍塌方式生成内孤立波的研究表明，此方法简单易行，与多数实验室研究过程中的内孤立波生成方式相同。然而此方法生成的内孤立波易受坍塌区、上下层流体深度比和密度比的影响。且需要多次尝试才能够生成目标波幅，研究效率不高。考虑内孤立波理论，本文采用了内孤立波理论数值造波方法。通过与实验室测量的流场数据对比可知，内孤立波理论数值造波方法能够高效准确的模拟生成内孤立波。在后续的内孤立波相关问题模拟中，内孤立波理论数值造波方法中均采用mKdV理论生成内孤立波。
随后，为了研究内孤立波传播演化过程中的特性，同时也为了进一步验证本文建立的数值模型模拟内孤立波在复杂地形上传播、演化问题上的能力，对内孤立波在包括三角形、半圆形以及带有长平台的斜坡等障碍物上的传播、演化的进行了模拟研究。通过与实验测得的波剖面对比发现，本文建立的内孤立波数值模型以及内孤立波理论数值造波方法能够准确的模拟内孤立波在非平地地形上的波面演化。通过对流场演化过程中产生的内水跃、内涌浪、波面反转、波分裂、绕射和反射等现象的捕捉，证明了文中建立的内孤立波数值模型能够很好的模拟内孤立波在复杂地形上传过过程中的流场演化。
开发海洋资源常常需要将包括海洋平台等结构设备安置在海洋环境当中，当有海洋内波来袭时，内波与海洋结构之间的相互作用对结构物造成的影响是研究人员所关心的。考虑到海洋工程设备大多是由圆柱形构件组成的，本文对内孤立波与水平圆柱相互作用的问题进行了模拟研究。通过对圆柱上承受内孤立波传播引起的荷载变化、圆柱周围的动压力分布以及流场演化的研究，揭示了内孤立波与水平圆柱相互作用过程中的特性。在内孤立波与单个圆柱相互作用的研究过程中，在分析圆柱位置变化对内孤立波与圆柱相互作用的特性的影响的基础上，进一步考虑了不同内孤立波波幅和密度跃层厚度对内孤立波引起的作用在圆柱上的荷载的影响。结果表明，单个圆柱位于分层流体界面附近时，圆柱上的最大垂向力达到峰值。当圆柱位置接近数值水槽底部附近时，圆柱上的最大水平力达到峰值。通过与实验测量得到的荷载变化可知，本文建立的内孤立波数值模型能够准确的模拟内孤立波与位于不同位置的单个圆柱相互作用过程中圆柱受力的问题。在此基础上，本文对内孤立波与位于分层流体界面附近的具有不同延伸长度的圆柱相互作用进行了模拟研究。结果表明，当延伸长度达到初始圆柱直径的1倍时，作用在延伸圆柱上的最大垂向力随着延伸长度的增加而线性增加。当延伸长度达到初始圆柱直径的2.5倍时，作用在延伸圆柱上的最大水平力达到峰值。随着延伸长度的增加，圆柱周围的流场变得更加复杂。在延伸圆柱体的上、下两侧附近产生的涡流对最大垂直方向的力产生明显影响。随后，对内孤立波与位于分层流体界面附近的具有不同中心距的串联圆柱相互作用进行了模拟分析。通过对串联圆柱上的荷载变化研究发现，两个串联圆柱中每个圆柱受到的水平力都小于位于相同位置单个圆柱上的水平力。当串联圆柱中心距达到单个圆柱直径的2.5倍时，两个圆柱上受到的最大水平力仅为单个圆柱上的最大水平力的48.9％和84.4％。此时，两个圆柱体之间涡的相互作用对于减小作用在两个圆柱体上的力起到了显著的作用。随着串联圆柱中心距逐渐增加，两个圆柱上承受的最大垂向力逐渐减小。比较两个圆柱之间的力的可知，更大的水平力和较小的垂直力作用与位于后方的圆柱上。
最后，本文以我国自主研发的海洋石油981深水钻井平台为原型，进行1∶300缩放，在实验室尺度上对内孤立波与半潜平台相互作用的问题进行了模拟分析。研究过程中，首先对不同波幅和流体深度比对内孤立波引起的作用在半潜平台上的荷载以及其周围的流场分布进行了讨论分析。结果表明，当内孤立波波幅相近时，随着流体深度比的逐渐增加，内孤立波传播引起的作用在半潜平台上的荷载逐渐减小。内孤立波传播引起的平台受力主要源于压力。与作用在半潜平台其它构件上的力相比，作用在半潜平台支撑上的力是可以忽略不计的。作用在半潜平台上的垂直方向的力几乎全部来源于作用在浮筒上垂直方向的力。在内孤立波与半潜平台相互作用期间，平台周围会有明显的速度减小的区域生成。大量的涡脱落在半潜平台周围也能够被清晰的观察到。随后，考虑到实际海洋环境中内孤立波的传播方向的随机性特点，对内孤立波与按照不同角度布置的半潜平台相互作用进行了模拟、讨论和分析。随着内孤立波传播方向与半潜平台对称轴之间夹角θ的增大，内孤立波传播诱发的作用在半潜平台上的最大水平力和力矩逐渐增大。当θ为0°时，半潜平台承受了最大的垂向力。内孤立波条件下，当内孤立波传播方向与半潜平台对称轴不平行时，平台周围流场的分布更加复杂。平台同类型构件周围流场的分布是相似的。当平台按照0°和90°角布置时，平台周围流场关于y=0.3m所在剖面对称分布。相比于按照0°和90°角布置，按照30°和60°角布置的半潜平台周围正、负涡相互作用的复杂性更强。
首先，本文基于开源计算流体动力学软件OpenFOAM建立了内孤立波的数值模型。数值模型的建立基于耦合密度方程来求解雷诺时均的纳维斯托克斯方程。由于在内孤立波模拟过程中，初始密度场的分布是给定的，密度方程仅在内孤立波传播的过程中求解流场内密度分布的变化。数值模型采用有限体积法进行数值离散，利用PISO算法对计算过程中的压力-速度耦合进行处理。论文采用内震波和异重流两个算例对建立的内孤立波数值模型在处理非均匀密度分层环境中产生的波浪演化进行了验证。内震波算例中，数值模拟的流场速度结果能够与解析解吻合得很好。在异重流算例中，通过与包括MITgcm模型和BOM模型在内的海洋内波模型模拟的速度结果对比发现，本文建立的数值模型在模拟异重流演化过程中的速度场是准确的。通过对异重流演化过程中内涌浪、KH涡、混合涡等现象的捕捉表明本文建立的内孤立波数值模型具备处理非均匀密度分层环境中产生的波浪演化的能力。
然后，本文对不同的内孤立波数值造波方法进行了对比评估分析。对采用重力坍塌方式生成内孤立波的研究表明，此方法简单易行，与多数实验室研究过程中的内孤立波生成方式相同。然而此方法生成的内孤立波易受坍塌区、上下层流体深度比和密度比的影响。且需要多次尝试才能够生成目标波幅，研究效率不高。考虑内孤立波理论，本文采用了内孤立波理论数值造波方法。通过与实验室测量的流场数据对比可知，内孤立波理论数值造波方法能够高效准确的模拟生成内孤立波。在后续的内孤立波相关问题模拟中，内孤立波理论数值造波方法中均采用mKdV理论生成内孤立波。
随后，为了研究内孤立波传播演化过程中的特性，同时也为了进一步验证本文建立的数值模型模拟内孤立波在复杂地形上传播、演化问题上的能力，对内孤立波在包括三角形、半圆形以及带有长平台的斜坡等障碍物上的传播、演化的进行了模拟研究。通过与实验测得的波剖面对比发现，本文建立的内孤立波数值模型以及内孤立波理论数值造波方法能够准确的模拟内孤立波在非平地地形上的波面演化。通过对流场演化过程中产生的内水跃、内涌浪、波面反转、波分裂、绕射和反射等现象的捕捉，证明了文中建立的内孤立波数值模型能够很好的模拟内孤立波在复杂地形上传过过程中的流场演化。
开发海洋资源常常需要将包括海洋平台等结构设备安置在海洋环境当中，当有海洋内波来袭时，内波与海洋结构之间的相互作用对结构物造成的影响是研究人员所关心的。考虑到海洋工程设备大多是由圆柱形构件组成的，本文对内孤立波与水平圆柱相互作用的问题进行了模拟研究。通过对圆柱上承受内孤立波传播引起的荷载变化、圆柱周围的动压力分布以及流场演化的研究，揭示了内孤立波与水平圆柱相互作用过程中的特性。在内孤立波与单个圆柱相互作用的研究过程中，在分析圆柱位置变化对内孤立波与圆柱相互作用的特性的影响的基础上，进一步考虑了不同内孤立波波幅和密度跃层厚度对内孤立波引起的作用在圆柱上的荷载的影响。结果表明，单个圆柱位于分层流体界面附近时，圆柱上的最大垂向力达到峰值。当圆柱位置接近数值水槽底部附近时，圆柱上的最大水平力达到峰值。通过与实验测量得到的荷载变化可知，本文建立的内孤立波数值模型能够准确的模拟内孤立波与位于不同位置的单个圆柱相互作用过程中圆柱受力的问题。在此基础上，本文对内孤立波与位于分层流体界面附近的具有不同延伸长度的圆柱相互作用进行了模拟研究。结果表明，当延伸长度达到初始圆柱直径的1倍时，作用在延伸圆柱上的最大垂向力随着延伸长度的增加而线性增加。当延伸长度达到初始圆柱直径的2.5倍时，作用在延伸圆柱上的最大水平力达到峰值。随着延伸长度的增加，圆柱周围的流场变得更加复杂。在延伸圆柱体的上、下两侧附近产生的涡流对最大垂直方向的力产生明显影响。随后，对内孤立波与位于分层流体界面附近的具有不同中心距的串联圆柱相互作用进行了模拟分析。通过对串联圆柱上的荷载变化研究发现，两个串联圆柱中每个圆柱受到的水平力都小于位于相同位置单个圆柱上的水平力。当串联圆柱中心距达到单个圆柱直径的2.5倍时，两个圆柱上受到的最大水平力仅为单个圆柱上的最大水平力的48.9％和84.4％。此时，两个圆柱体之间涡的相互作用对于减小作用在两个圆柱体上的力起到了显著的作用。随着串联圆柱中心距逐渐增加，两个圆柱上承受的最大垂向力逐渐减小。比较两个圆柱之间的力的可知，更大的水平力和较小的垂直力作用与位于后方的圆柱上。
最后，本文以我国自主研发的海洋石油981深水钻井平台为原型，进行1∶300缩放，在实验室尺度上对内孤立波与半潜平台相互作用的问题进行了模拟分析。研究过程中，首先对不同波幅和流体深度比对内孤立波引起的作用在半潜平台上的荷载以及其周围的流场分布进行了讨论分析。结果表明，当内孤立波波幅相近时，随着流体深度比的逐渐增加，内孤立波传播引起的作用在半潜平台上的荷载逐渐减小。内孤立波传播引起的平台受力主要源于压力。与作用在半潜平台其它构件上的力相比，作用在半潜平台支撑上的力是可以忽略不计的。作用在半潜平台上的垂直方向的力几乎全部来源于作用在浮筒上垂直方向的力。在内孤立波与半潜平台相互作用期间，平台周围会有明显的速度减小的区域生成。大量的涡脱落在半潜平台周围也能够被清晰的观察到。随后，考虑到实际海洋环境中内孤立波的传播方向的随机性特点，对内孤立波与按照不同角度布置的半潜平台相互作用进行了模拟、讨论和分析。随着内孤立波传播方向与半潜平台对称轴之间夹角θ的增大，内孤立波传播诱发的作用在半潜平台上的最大水平力和力矩逐渐增大。当θ为0°时，半潜平台承受了最大的垂向力。内孤立波条件下，当内孤立波传播方向与半潜平台对称轴不平行时，平台周围流场的分布更加复杂。平台同类型构件周围流场的分布是相似的。当平台按照0°和90°角布置时，平台周围流场关于y=0.3m所在剖面对称分布。相比于按照0°和90°角布置，按照30°和60°角布置的半潜平台周围正、负涡相互作用的复杂性更强。