水波动力学一直以来都是海岸及近海工程的重点研究对象。基于不可压缩流体N-S方程的波浪数值水槽作为一种水波动力学的有效研究手段,它不仅能够给出波面实时变化过程,还能提供整个水域完整的水动力场信息。开展有自由水面的不可压流体运动控制方程数值求解方法的研究在理论上可以推动CFD向前发展,在实践上也可为实际工程提供有效的研究手段。本文研究工作取得的主要成果总结如下。(1)详细研究了CFD的最前沿技术成果,包括N-S方程自身的求解方法、自由水面追踪方法以及N-S方程求解中的边界处理方法;在对比各类方法优劣的基础上,确定了研发全新计算流体力学模型的基本方案。(2)通过采用投影法求解不可压缩流体的N-S方程,采用一种无条件稳定,且在时间和空间上都具有二阶精度的MacCormack格式计算对流项,采用收敛速度较快的BI_CGSTAB算法求解压力泊松方程,提出了一种求解效率高、稳定好的CFD模型。(3)在本文CFD模型中,引入FPLS(快速粒子level set)方法确定水流自由表面位置,与其它自由表面追踪技术相比,该方法不仅适合流体自由表面发生复杂拓扑形的情况,而且具有精度高、守恒性好、计算速度快等优点。为了进一步减少计算量,选择了只在水体一侧求解水流运动控制方程的计算方案,而对自由界面上的压力和速度条件分别采用虚拟压力法和等值外插法来处理。对于建筑物、空气和水体多相界面交汇的问题,则采用一种改进的多重level set方法进行处理。(4)开发了一种自适应的树型网格生成系统,能够根据流场中的流速梯度大小、自由表面和固壁边界的位置实时进行网格分裂与合并,以保证重要区域具有较高网格分辨率,同时又无需大幅度增加内存消耗和计算量。(5)建立了全新的二维和三维的空间自适应波浪水槽。其中,二维水槽采用了源函数造波法,三维水槽则采用边界造波法。模拟的微幅波、椭余波和斯托克斯波的波面形状与解析解吻合良好。模拟的存在潜堤情况下的波浪变形及流场特性与实际是相符的;模拟的波浪作用下方柱所受的波浪力结果与海港水文规范(JTJ-213-98)公式结果基本吻合。