海洋工程领域传统的、常重环境下的缩尺模型实验一直伴随着无法有效重现原型自重应力场(或压力场)的问题,进而无法在缩尺模型中有效重现水-土相互作用过程中的许多现象。由离心实验设备提供的超重环境则可有效解决自重应力场的重现问题,这也正是大量学者将离心模型实验引入工程问题的研究的主要原因。然而,限于现有离心实验设备的形式和海洋工程领域水波问题对波浪水槽的依赖,鲜有人对超重环境下的水波问题进行系统和深入的研究。鉴于此,本文对超重环境下水波实验中涉及的各项问题,如模型相似、水波的生成和传播,以及离心机环境下的超重环境与理想超重环境的差异对水波运动的影响等问题进行系统研究。主要包括以下几个方面的内容:1、建立了超重环境下的水波相似模型。文中分别推导了超重环境下理想流体定常流动、理想流体非定常流动、粘性流体和可压缩性流体的流场相似模型。研究表明,超重环境下流场可同时满足Fr准则、St准则、Re准则和Eu准则;但考虑Re准则与其它准则同时满足时需采用大比尺实验模型,条件较为苛刻,仅适用于小型流场的重现。鉴于此,本文后续各项研究中主要考虑流场压应力场的相似,并分析了流体粘性差异对流场的影响。2、建立了适用于超重环境的数值波浪水槽。文中主要对超重环境下数值波浪水槽的构建进行研究,推导了超重环境下的造波和消波方法。3、基于相似理论在理想超重环境下实现了规则波和孤立波的模拟。研究结果表明,理想超重环境中缩尺模型可以有效的重现原型流场,波高的微弱差异可以通过入射波的调整避免,缩尺模型的压力场与原型流场吻合良好。然而,由于流场粘性的差异,缩尺模型水波衰减较为严重,在孤立波的研究中流场的速度场和动压力场与原型略有差异。4、为适应离心加速度场(辐射状径向场)的加速度分布特点,提出了弧形波浪水槽,并推导了弧形波浪水槽推板造波法,对超重环境下弧形波浪水槽内水波的生成和传播问题进行研究。研究结果表明,波浪水槽曲率半径过小会引起水波波高的增加,但即便在半径仅为0.7m的鼓式离心机内部,波长半径比达0.572的情况下,弧形波浪水槽内的波高增量亦仅为7%。且当计算工况的波长半径比小于等于0.12时波浪水槽曲率对水波传播的影响即可忽略。5、与自然环境中的重力加速度场不同,离心加速度场中加速度沿离心场径向变化,从而导致离心加速度场内水波波长、波速和静压力均与原型波场有较大差别,且该变化会影响水波波长与周期相似关系的一致性。具体实验过程中需综合考虑各项影响因素,通过调整水波周期、离心场有效半径等方式获得最佳实验效果。6、为了对水波离心模型实验中科氏效应的影响进行评估,文中提取了不同体力加速度水平条件下波场铅垂方向的速度与离心场有效线速度进行对比。研究结果表明,水波传播过程中波场铅垂方向速度较小,100g环境下即便采用半径很小的鼓式离心机亦可满足要求。需要注意的是,不同比尺的模型内速度基本相同,因此相同旋转半径条件下,当模型比尺较大时科氏效应的影响更加明显。