海洋环境与人类社会生产生活息息相关。在世界各地的海洋中，由温盐梯度结构形成的密度分层，流动引起密度扰动可以以内波的形式传播。密度分层对物理海洋学以及地球物理、工业和环境应用中若干基本过程的影响成为研究的热点。对分层环境中内波生成演化的研究，有助于推动理解全球洋流的能量级串机制、自然内波与海上结构物或海底地形之间的耦合作用以及海洋中运动物体激发的小尺度内波尾迹。这些内波通常具有规则的模式，其特征研究能够为内波识别与反演提供参考结果与指引。本文围绕海洋环境中内波理论与数值模拟这一关键科学问题，目的在于推进海洋中扰动源激发内波的生成演化机理研究及海洋中关键环境要素的精细刻画模拟。

以海洋大尺度自然内波为研究对象、流固耦合系统为应用背景，引入了弹性恢复力，建立了小尺寸非平坦地形作用下的水弹性内界面波线性和非线性理论模型，实现了基于边界积分法的水弹性内波稳定水跃解数值计算方法，得到了全欧拉方程新的水弹性水跃和陷波解。对比重力界面波，分析了弹性力作用下水跃解形状的变化，以及地形形状、极性对水跃解水动力参数的影响。发现了水跃解和陷波解随刚度参数变化的非唯一性，并确认了基于色散关系对陷波出现的位置、波长进行预测的可行性。结果对于地形影响海洋中结构物载荷的应用具有参考意义。

拓展了水波问题中的非局部表达方法，推导了含大尺寸地形的多层流体系统线性近似下的DtN（Dirichlet-to-Neumann）算子谱空间表达式，实现了真实海洋环境中的多模态内波与大振幅地形相互作用的新数值模拟程序，解除了传统数值计算方法对系统维数、地形尺寸和光滑性的限制。二维线性波爬坡和三维龙勃透镜效应地形算例与理论解对比验证了程序的正确性。基于该数值方法，发现了多模态内波过局部地形时，模态转换现象仅在大斜率地形作用下出现。一模态内波与快速变化地形相互作用典型现象包括Bragg共振、二模态内波的激发、高阶共振及均化效应。最后，实现了真实直布罗陀海峡地形条件下的内波与自由表面波的演化过程数值模拟，推进了对自然内波、表面波在真实海洋地形作用下的演化特征分析与理解。

揭示了海洋环境中水下运动航行体作为扰动源在其近场激发小尺度内波生成、传播机理和内波特征随水动力参数演化规律。发展了适用于任意连续密度分层的内波求解器，结合浸没边界法和大涡模拟，实现了对复杂航行体几何、近场尾流、体效应及尾流效应诱导内波的精细捕捉。应用复杂双向密度分层模型，首次定义并提取了密跃层中的体效应内波尾迹特征量。统计了内波尾迹夹角及波长随弗劳德数和密跃层厚度变化标度率，并形成了特征量随水动力参数演化图谱。

进一步揭示了湍流远尾迹流动结构时空演化机理及湍流效应内波空间传播、尺度变化、水面表征演化规律。在高精度谱方法框架下实现了远场湍流尾迹的长时间演化计算和内波求解。首先，分析了均匀分层环境下湍流尾迹衰减过程、尾迹尺寸及内波水面表征随浮力频率的变化规律。其次通过谱分析，给出了内波空间传播过程中不同潜深位置的尺度、强度演化规律及机理。最后在真实海洋分层环境中，说明了非均匀分层结构导致内波传播具有非对称性，传播方向随浮力频率变化，并证明了扰动所在潜深对流动结构影响微弱，但对内波水面表征强度影响明显。

最后，引入真实海况的风浪因素，初步形成了低航速条件下湍流效应内波尾迹与风浪场的尺度相互作用分析。一方面给出了密度分层环境下风浪背景流场特征随浮力频率变化，另一方面风浪与尾迹耦合数值模拟结果表明湍流尾迹与背景风浪场在低航速大潜深条件下以线性作用为主。基于水面信噪比结果和水下流动统计量分布，讨论了内波识别的潜在可行性。理解体效应和湍流效应尾迹在海洋工程中仍然是一个热门话题，并可以为流场特征、航行体的水动力参数设计以及潜在的内波识别策略提供重要信息。