鱼类经过亿万年的进化,其游动性能快速、高效和灵活,对应的游动机理对科学探索和技术开发都具有重要意义。在自然界中,85%的鱼类通过身体和尾鳍的波动形成向后传播的鱼体波,并与周围流体相互作用以获得其非凡的游动性能。但是,鱼体波的动力学特性以及鱼体波参数与外部流体之间的复杂关系尚不清楚。本文以身体/尾鳍游动模式(Body and/or Caudal Fin,BCF)鱼类的鱼体波为研究对象,从鱼体的复合波动模式及其推进性能两方面来研究鱼类快速高效的推进性能。从振动模态的角度看,BCF模式鱼类游动的实质是粘弹性鱼体在流体中的强迫振动。结合Lighthill大摆幅细长体理论,本文将柔性鱼体简化为等截面均质粘弹性梁,建立了鱼体在流体环境中的游动模型。通过分离变量法定性分析了鱼体自由振动和强迫振动的模态特性,给出了鱼体粘弹性参数与鱼体波之间的关系。结果表明:当鱼体振动系统为比例阻尼系统时,鱼类会产生驻波形式的鱼体波,对应的是实模态振型;当系统为一般阻尼系统时,鱼类会产生行波形式的鱼体波,对应的是复模态振型,为复合波动模式。该研究表明鱼体波本质为鱼体受迫振动对应的复模态振型,同时也说明鱼体的粘弹性特性对鱼类游动性能有着决定性的影响。针对鱼体波的复模态特性,本文采用复模态分解方法COD(Complex Orthogonal Decomposition),将鱼体波分解为纯行波和纯驻波两部分,并利用复模态振型实部和虚部的相关系数来定义鱼体波的行波系数。当行波系数为0和1时,对应的鱼体波分别为纯驻波和纯行波。通过分析80多种鱼体波生物学数据,得到:鳗鲡科模式的鱼体波有着较大的行波系数,约为0.74~0.90;亚鲹科和鲹科模式鱼体波的行波系数在0.52~0.78之间;鲔科模式鱼体波的行波系数较低,约为0.36~0.64。该结论不仅从生物学上验证了鱼体波的复模态特性,而且还显示BCF游动模式与行波系数存在某种对应关系。根据行波系数由小到大的分布,BCF模式可以细分为驻波主导型(对应鲔科)、混合型(对应亚鲹科和鲹科)和行波主导型(对应鳗鲡科)三类,该划分方法被称为BCF游动模式分类的行波系数法。与根据参与摆动尾体长度占鱼体总长比例进行定性划分的传统方法相比,新方法定量地划分了BCF鱼类的游动模式,能够更准确地分析鱼类的游动特点。为了能够采用计算流体力学(CFD)的方法研究鱼体波参数对推进性能的影响,本文提出了适合解决具有复杂动边界流固耦合问题的LS-IB(Level-Set/Immersed Boundary)数值方法。该方法由Level-set函数和重复初始化过程来确定固体的复杂界面,通过基于直接力法的浸入边界法来确定固体与流体之间的相互作用力。采用直接数值模拟(DNS)和大涡模拟方法(LES)模拟了不同雷诺数的流体环境,并结合MPI(Message Passing Interface)并行计算提高了程序的运算能力。通过圆柱/圆球绕流、强制圆柱振动、涡激圆柱振动和球体自由下落等经典算例验证了程序的有效性,并以鳗鲡科鱼类游动的算例说明了LS-IB方法具有简单有效和计算量小的优点。结合LS-IB数值方法,建立了鳗鲡科和鲹科鱼类的约束游动模型和自由游动模型,从鱼体所受合力、功率消耗、游动速度、游动效率以及尾迹涡街结构等方面出发,研究了鱼体波行波系数、摆动频率、摆动幅值和流体雷诺数等因素对推进性能的影响。结果表明,当鳗鲡科和鲹科鱼类的行波系数分别在0.8和0.6附近时,鱼体会获得较好的推进性能,该结果与鱼类在自然界中的进化结果相一致。此外,研究发现鱼类的推进性能依赖于鱼体外形和鱼体波参数的合理匹配,该结论为机器鱼的设计和运动控制提供了理论指导。最后,为了验证鱼体波的复模态特性及其推进性能,研制了基于粘弹性材料的仿鲹科柔性机器鱼,该机器鱼可通过调整内部空腔的气压来获得不同弯曲刚度。实验结果表明机器鱼的鱼体波具有复模态特性,且摆动幅值对行波系数的影响较大。该机器鱼行波系数的变化范围为0.58~0.70,与鲹科鱼类行波系数的区间范围(0.52~0.78)相吻合。通过测量机器鱼在不同游动状态下所受的推力和游动速度,发现摆动频率和摆动幅值对机器鱼推进性能的影响较大,且与鱼类在自然界或数值模拟中的变化趋势相一致,能够定性地验证鱼体波的推进性能。