立柱波浪爬升是大型海洋结构物设计、运营中面临的一个重要问题。半潜式平台、TLP平台和Spar平台等立柱尺度较大的海洋平台在与波浪相互作用时具有较为显著的非线性特征,除波浪绕射、辐射效应叠加引起的立柱周围波面升高外,还经常出现波浪沿立柱表面形成射流,从而增加下甲板砰击甚至甲板上浪的风险,威胁到海洋平台的安全。近年来,恶劣海况下严重的波浪爬升导致的设备损坏甚至安全事故屡有发生,引起了工业界和学术界对立柱波浪爬升以及海洋平台气隙问题的关注。通常改善平台气隙性能的措施——包括增加甲板高度或改变平台外形——会受到平台重量、稳性和工程造价等因素的制约。本文围绕半潜式平台方形立柱的波浪爬升问题,对波浪爬升过程中立柱周围的流场特点、爬升水体的演化过程、水射流产生的机理等问题进行深入研究,在此基础上,通过多层孔隙结构物的消波性能研究,提出了一种通过在立柱表面附加孔隙结构物的设计方案,阻挡和耗散沿立柱表面爬升的水射流,以减小波浪爬升高度,降低半潜式平台下甲板砰击或甲板上浪的风险。首先开展固定方形立柱的波浪水槽模型实验,开发基于计算机视觉技术的瞬时爬升波面测量方法,并结合CFD数值模拟,研究固定方形立柱在不同周期、不同波陡的Stokes波作用下波浪爬升的特性。研究发现随着入射波波陡的增加,在长波下波浪爬升倍数的增加程度较短波下更加显著,呈现出不同的非线性特点。在短波下,立柱背浪面处形成的绕射波波峰向上游方向传播,与下一个入射波波峰在立柱迎浪面附近相叠加,增加了波浪爬升的高度;而在长波下,波峰处速度较高的水流在立柱前受到阻滞而形成局部抬升的水体,是导致非线性波浪爬升高度增加的主要原因。这也解释了立柱受到的水平波浪载荷系数在短波和长波下随波陡的增加出现不同趋势的原因。此外,入射波波陡的增加也增强了立柱四角对波浪场的扰动效应,立柱周围出现了较为明显的局部波峰,在多立柱情况下将可能增强立柱间相互干涉和波浪共振效应,增加出现严重波浪爬升事件的概率。通过波浪水槽模型实验,进一步研究固定方形立柱在不同谱峰周期、不同最大波面高度的聚焦波作用下的波浪爬升特性,并采用CFD方法进行数值模拟,以获得立柱周围波面升高分布、速度场和压力场等流场细节信息。结果表明,波浪爬升倍数随着聚焦波波陡的增加而显著增加,尤其在聚焦波峰接近或恰好破碎的波浪环境下会出现极端的波浪爬升高度。这主要由于波陡的增加使得立柱前局部区域流场速度变化趋于剧烈,导致局部动压力峰值和压力梯度的增加,加强了对波浪爬升水流的加速效应。当聚焦波峰接近或恰好翻卷破碎时,波峰前部形状接近直立,与立柱前的抬升水体相互作用时水质点速度突然改变,导致局部区域出现了极高的动压力峰值和压力梯度,从而迸发出强烈的水射流并对立柱产生严重的水平砰击载荷。相比于聚焦波波陡,谱峰周期的变化对波浪爬升倍数的影响较为有限,但在极端情况下,较大的谱峰周期增加了波浪爬升水射流的体积（厚度）和速度,也在一定程度上增加了波浪爬升倍数。孔隙结构物由于较强的波浪能量耗散效应而广泛应用于港口海岸工程领域。本文对多层水平开孔板结构物在规则波作用下的消波特性开展解析求解研究,探究水流在穿透开孔板结构物的过程中流场受到的扰动以及能量的耗散,并深入分析结构物孔隙率、层数和层间距对作用效果的影响。结果表明适当的开孔板层数、层间距和开孔率组合能够达到较好的波浪阻挡和耗散效果,同时最大程度地抑制自身所受的波浪载荷。在此基础上,将孔隙结构物的概念应用于平台立柱,并基于VA-RANS方法的孔隙介质数值计算模型,对二维竖直上冲水射流与附加孔隙结构物的相互作用过程进行了研究,对比分析了不同结构物孔隙率、水射流初始速度和厚度下水射流形态、局部速度的演化过程以及对结构物的载荷。研究发现立柱附加孔隙结构物能够有效地阻挡和散射不超过自身厚度的水射流,但作用效果在水射流厚度明显超出结构物时较为有限。孔隙率对耗散水射流能量并降低自身所受砰击载荷的影响较大,建议在实际应用中采用较高的综合孔隙率,但同时也需要考虑速度较高的水射流穿透结构物后的飞溅问题。提出在立柱表面附加多层孔隙结构物来衰减和阻挡水射流从而改善海洋平台气隙性能的设计概念,并通过模型实验对3种不同形式的结构物设计——包括多层实心板、多层开孔板和多层间断板——在4组聚焦波峰接近或恰好翻卷破碎的聚焦波环境下阻挡和散射波浪爬升水射流的效果进行了系统的对比分析。研究发现,对于大部分波浪爬升过程,这三种形式的附加结构物都能够有效地阻挡爬升水射流并使其方向发生偏折,但多层实心板形式受到的砰击载荷较大,而多层间断板形式对水射流的挤出效应较强而阻挡偏折效应较弱,相比较而言多层开孔板形式对爬升水流具有较好的衰减和阻挡效果,且较大的孔隙率可以进一步改善总体效果,同时降低所受的砰击力。此外,通过适当减少多层开孔板结构物的层数同时提高其安装高度,可以在更严重的波浪爬升过程中保持对水射流的有效阻挡,避免下甲板砰击或甲板上浪的发生。通过合理设计外形尺寸、安装高度和孔隙率,可在极端海况下有效阻挡波浪爬升水射流的同时自身不会受到过大的波浪砰击载荷。在上述研究基础上,针对半潜式平台的立柱波浪爬升问题提出了一种多层开孔板形式的立柱附加孔隙结构物设计,对恶劣海况下立柱表面的波浪爬升水射流进行阻挡和散射,改善平台的气隙性能。通过模型实验方法,对立柱附加孔隙结构物前后的半潜式平台敏感位置处的气隙分布进行了对比分析,阐示了在恶劣海况下半潜式平台立柱表面波浪爬升水流的多种流场形态以及与附加孔隙结构物的相互作用过程。结果表明,平台在各个浪向下相对的前立柱位置处出现的波浪爬升以速度较高、厚度较薄的飞溅水射流为主,立柱附加孔隙结构物在这种情况下能够有效地降低负气隙出现的概率;而相对的后立柱位置处的爬升水流厚度明显较大,附加孔隙结构物对此虽无法完全阻挡,但也能显著降低其上冲速度和流量,减小或避免可能造成的砰击危害。