随着全球气候变化,有证据表明北极地区海冰覆盖面积整体呈现出减小趋势,使得北极航线的开通和自然资源的大规模开发成为可能。冰缘区是海冰与开阔水域交界的区域,也是受波浪影响最直接的区域,海冰与波浪的相互作用是决定冰缘区形态结构的主要因素,掌握冰缘区内海冰与波浪相互作用的规律,对于正确认识冰区内波浪传播特性以及合理开发北极具有重要的指导意义。本文首先研究了中小尺度刚性浮冰与波浪的相互作用,包括二维刚性多浮冰与波浪的相互作用和三维刚性单个浮冰与波浪的相互作用。基于计算流体力学技术,采用速度入口造波方式建立数值波浪水池,使用有限体积法对流体控制方程离散求解,通过流体体积法对自由液面进行捕捉,利用网格变形技术模拟二维刚性多浮冰运动,利用重叠网格技术模拟三维刚性单个浮冰运动。随后,将研究拓展到三维弹性大尺度浮冰与波浪的双向流固耦合研究,流场采用有限元离散,浮冰离散采用有限元方法,在流体域和浮冰域交界处创建映射交界面,采用最小二乘法将流体载荷映射到结构表面,使用形状函数将节点位移插值到流体网格以实现数据映射。重点研究了波浪冲洗冰体现象对浮冰运动和波浪运动的影响,主要研究结论如下:(1)通过分析二维刚性多浮冰在波浪中的运动,发现随着浮冰数目的增多,位于中间位置的浮冰的运动相应变小,浮冰窄缝距离波浪入口越远,窄缝间的波浪运动也趋于平缓。浮冰由于受到波浪冲洗的作用,其运动幅值明显减小,同时,随着浮冰数目增加,中间浮冰受到的波浪冲洗现象减弱,浮冰运动幅值的差异也逐渐缩小。(2)分析三维刚性单个浮冰与波浪的相互作用的数值模拟结果,发现在波浪激励频率处,短波长时,波浪冲洗冰体表面现象更严重。波浪冲洗冰体表面现象对浮冰运动幅值有明显的抑制作用。随着冲洗现象变强,其对浮冰运动抑制作用越强。(3)在波浪作用下三维大尺度弹性浮冰的水弹性响应研究中发现浮冰形状对其自身变形和周围波浪场的影响较大。当垂直于波浪传播方向长度较大时,由于浮冰与入射波的接触面积最大,导致浮冰对波浪的反射作用越大。当沿着波浪传播方向长度较大时,波浪冲洗现象和浮冰的垂向变形越剧烈,对入射波产生了较大程度的衰减。由于浮冰对波浪的遮蔽效应和散射效应,导致靠近浮冰后缘处的透射波浪远远小于远离浮冰后缘处的透射波浪。