随着全球经济的不断发展与科学技术的不断进步,人类对海洋资源和海洋坏境的认识不断加深,海洋开发已经进入了蓬勃发展的新阶段。利用海洋空间兴建海上机场、海底隧道、海中悬浮隧道甚至海底军事基地等,形成了一大批新兴产业。然而,海洋时常暗流涌动,较大水深处往往存在异常大的流动,复杂的海流环境往往是造成海上施工事故和海洋结构物破坏的罪魁祸首,而异重流的存在是上述流场形态形成的主要原因。本文主要采用模型试验和数值模拟相结合的方法,以异重流和方形柱体为主要研究对象,针对异重流的模拟、固定方柱所受升力和阻力、系泊方柱的运动响应以及异重流的流场特性等问题开展了深入的研究分析。基于能量守恒定理和浅水理论,推导异重流头部传播速度的理论公式,并讨论雷诺数足够大的情况下,异重流的演化机理。同时,利用大涡模拟(LES)方法对异重流问题开展三维CFD数值模拟,研究固定结构物在异重流作用下的漩涡脱落特性、载荷特性以及流场形态,探索了载荷特性与流场形态的联系,并讨论了方柱的位置对载荷特性的影响。研究发现,数值计算中的异重流头部速度略小于理论值;结构物在异重流中所受流力,压力是主要成分,粘性力在异重流冲击结构物的瞬间会增大,但依然可以忽略,这说明本文中的异重流雷诺数较大,惯性力占主导。通过异重流模型试验,采用高速摄像机捕捉方柱三自由度的运动以及流场特征,同时采用图像处理算法提取和量化方柱的运动。同时,通过理论公式验证了异重流试验的可靠性。在此基础上,研究不同位置的系泊方柱在不同密度比异重流作用下的运动响应,深入理解异重流与系泊结构物相互作用的响应特征、涡泄现象以及激励载荷特性。试验结果表明,试验中头部速度略小于理论解;高速摄像机以及图像处理算法能较好地捕捉方柱三自由度的运动。通过图像处理,发现非混合区的盐水流动冲击位置较低的方柱的时候,会引起方柱大幅度的旋转和x轴正偏移;混合区的流体作用于位置较高的方柱的时候,并不会导致方柱向一个方向偏移,而是在平衡位置附近波动。同时,异重流的密度比对方柱运动影响较大,而且密度比越大,方柱在异重流作用下的运动越剧烈。本文初步揭示了海洋异重流的演化以及其对海洋结构物的作用机理和规律,探寻了溃坝式异重流的数值模型,以及异重流试验方法和新型图像处理算法,研究了海洋结构物在异重流作用下的动态响应,具有重要的理论和工程价值。