防波堤是一种用于防御风浪侵袭港口水域,保证港内平稳的重要水工建筑物。作为抵御外海波浪入侵的屏障,其自身在恶劣海况下的安全问题一直是学者关注和研究的热点。对于直立式防波堤而言,当波高、水深、基床、海床底坡等条件满足一定关系时,会产生对直立堤具有巨大冲击性和破坏性的波浪形态(即近破波或远破波),巨大的冲击荷载可能会导致结构失稳或破坏。破碎波荷载的产生与破碎波流场具有密切关系,因此对于破碎波波浪形态和流场特性的研究,有着重要的科学价值和实际意义。本论文利用PIV激光流场测试系统和数值模拟方法,在规则波条件下对近破波和远破波进行了物理模型试验和数值模拟的研究工作：(1)建立了以Naiver-Stokes方程为基本控制方程、CLEAR-VOF方法追踪水体运动表面的二维数值波浪水槽模型。该数值模型采用大涡模拟方法模拟湍流效应,有限元方法对控制方程进行离散。利用该模型成功的模拟了二阶斯托克斯波的传播；通过对立波的模拟验证了可吸收式数值造波边界条件；在非结构化网格下成功模拟了溃坝的流动,验证了该模型与非结构化网格联合应用的能力；利用该模型,成功的模拟了直立式防波堤前不同破碎形态的近破波和远破波,流场的数值结果与试验结果良好符合。(2)利用PIV激光流场测试系统及波浪压力传感器对直立堤前的近破波流场和破碎波压力进行了测试研究：分析了不同基床和相对波高条件下的堤前波浪破碎形态和流场特征；分析了近破波的冲击过程；给出了冲击时刻堤前水平流速的沿垂向分布；发现了堤脚处堤脚涡的存在；分析了相对波高对破碎波压力和总力的影响。结果表明,在本文的试验参数条件下,直立堤前出现了Flip-through、Well-developed plunging breaker和Turbulent bore三种不同的波浪破碎形态；对于中基床,冲击时刻最大水平速度发生在水面处,对于高基床,冲击时刻最大水平速度发生在水面下；在d1/d=0.26条件下,当相对波高H/d1增大到1.2时,破碎波浪力随着相对波高增大而减小。利用数值波浪水槽模型,对近破波问题进行了更深入的计算：分析了多种基床、相对波高和相对肩宽条件下的堤前波浪破碎形态；研究了波浪破碎时水质点水平特征速度和击堤时沿堤面垂向特征速度的变化规律；分析了相对肩宽对近破波总力的影响,研究了静水面处波压力峰值和对应位置处的水质点水平冲击速度平方之间的关系。结果表明,不同相对水深条件下相对波高对无量纲化速度VH产生不同的影响,而相对波高一定时无量纲化速度VH基本随着相对水深的增大而减小,随着相对肩宽的增大而增大；不同相对水深条件下相对波高对无量纲化速度VV体现出不同的影响,而相对波高一定时VV随着相对水深或相对肩宽的增大而增大；当相对波高H/d1在0.8～1.1变化时,最不利肩宽基本出现在b/L=0.1-0.2之间,并且相对水深一定时,最不利肩宽随着相对波高的增大而减小；静水面处波压力峰值Ppeak和对应位置处的水质点水平冲击速度平方v2之间的关系可表示为Ppeak≈0.75ρv2。(3)利用PIV激光流场测试系统对直立堤前的远破波流场形态进行了研究,分析了特征流速和波浪力。在模型试验结果基础之上,对直立堤前的远破波问题进行了深一步的数值计算。结果表明破后波型远破波的破碎程度要剧烈于“原始行进波未破型”的远破波；破后波型远破波会产生较大的波浪力。