近年来极端波浪造成的海上安全事故越来越引起人们对海洋环境中破坏力较强的极端波浪的关注。极端波浪形成机理和传播特性的深入研究,能更好地指导海洋工程结构物的结构设计,保障结构的安全。由于极端波浪的形成主要来自海洋中波群能量的同时聚焦,因此在试验环境中采用波浪聚焦研究极端波浪的性质是一种有效途径。水平圆柱结构作为海洋工程结构物的主要组成部分,在遭遇极端波浪时会受到波浪的非线性作用,需要针对极端波浪作用下的水平圆柱水动力特性做出更细致的研究。本文的主要研究内容包括:(1)试验研究聚焦波浪非线性特性。采用相速度方法在试验波浪水槽中产生不同参数的聚焦波,分别用两相位分离和四相位分离方法得到聚焦波高阶谐波分量。结果表明四相位分离方法可以分别提取波浪前四阶谐波,具有更好的分离效果。在此基础上,开展对聚焦波波面和速度非线性的分析。发现在波浪聚焦时,其各阶谐波也同时聚焦。高阶谐波的波面和能量相对于整体波浪较小,斯托克斯波浪理论能在一定程度上描述二阶谐波随波数的变化特性;但对于三阶谐波而言,其无法捕捉波浪传播过程中发生的三阶波浪相互作用;由于波浪间相互作用的影响,聚焦波水质点速度低于线性理论值。(2)开展聚焦波各阶谐波波面及能量等特性的沿程演化分析。发现在距离推板位置较近的范围内波群受到非传播模态的影响,这一范围的高阶谐波的波幅及能量变化较大,随着距离的增加表现相对平稳。在到达聚焦位置前主要发生线性部分与高阶谐波的能量交换,在波浪到达聚焦位置时总能量有所增加。此外采用线性理论解结合高阶谐波的系数的方法对聚焦波波浪进行重构,与试验值结果比较吻合。(3)基于FLUENT软件构建数值波浪水槽,模拟分析了聚焦波浪对完全淹没状态水平圆柱的水动力作用。研究了水平圆柱存在时的聚焦波浪波面及流场特征,以及不同波陡聚焦波作用下的水平圆柱受力变化特征。研究表明:在圆柱存在时,波面形状基本保持不变,高阶谐波会发生相位的偏移,圆柱周围流场随波峰的到来产生主要的漩涡并随后脱落;四相位分离方法对圆柱水平和竖向作用力的分解有效,且发现其高阶作用力与总体作用力之比随波陡的增加而增大,波陡对圆柱竖向作用力的影响比水平方向更大。