随着微型飞行器(MAVs)和小型无人水下运载器的发展,人们对翼型低雷诺数绕流的水动力学特性越来越感兴趣,尤其是做扑动运动的水翼。众所周知,自然界中,大多数鱼类、鸟类、昆虫等通过控制尾巴或翅膀有节奏的拍动运动来产生前进的推力。其具有高效率、低能耗、高巡航速度、低噪声和快速机动等特点。对自然界生物运动能力的探索为人类的飞机和船舶等运载器的设计和研制提供了新的灵感。扑翼运动作为对自然中飞鸟和鱼游运动学的一种合理简化,在仿生流体力学领域受到了普遍关注。本论文基于流动稳定性和流体力学数值模拟方法,研究了拍动翼尾流的失稳与转捩。首先,本论文对低雷诺数下固定攻角水翼的非定常水动力学特性和流动稳定性进行了分析。分别研究了大攻角和小攻角工况下水翼在“前缘涡”和“分离涡”模态下的流动特征及相关的物理机理。并通过功率谱密度(PSD)对水翼近流场的特征进行了解释。发现尾流依次经过双周期分岔和各种不对称分岔从稳定的层流转捩至混沌流动。为了预测中等攻角下水翼的二次失稳,本论文通过Floquet稳定性分析,分别对两组攻角下尾流发生三维临界转捩的机理进行了研究,并对基础流的拓扑结构和三维转捩时的不稳定模态的特征进行了对比。此外,通过三维直接数值模拟(DNS)研究了尾流中主要的失稳模态的物理可实现性,并与Floquet稳定性分析中重构的三维结构进行了对比。最后,根据尾流宽度重新定义雷诺数,发现三维不稳定初生的临界雷诺数主要集中在[159.7,234.2]的区间中,这些值与钝体绕流中的值非常接近,从而分析了固定攻角水翼尾流与钝体绕流中三维不稳定性的临界雷诺数的关联。进而,本论文对拍动翼(俯仰运动或升沉运动)的水动力学特性和三维不稳定性进行了研究。首先在频率-振幅参数空间内,确定了拍动翼尾流中存在的卡门涡街,反卡门涡街,倾斜尾流等流态以及不同流态之间的转捩边界。研究了二维尾流到三维尾流的转捩边界以及对应的临界不稳定模态,并通过Floquet稳定性分析和三维直接数值模拟(DNS)对不稳定模态进行了验证。此外,结合自然界中动物最优推进的斯特劳哈尔数范围,研究了水翼尾流中阻力到推力的转捩与尾流形态的关系。对于升沉运动的水翼,本文还研究了参数(如升沉振幅,拍动频率,雷诺数)改变时,随着尾流从二维到三维的转捩,不同失稳模态依次出现的顺序,并通过POD和DMD技术对失稳模态进行了分析。本论文还定量研究了拍动翼尾流转捩与拍动推进性能的关系。分别对纯俯仰运动和纯升沉运动进行了分析。根据前面的研究,随着拍动频率和振幅的增加,拍动翼的尾流会从二维尾流转捩到三维尾流。本文通过在频率-振幅参数空间中绘制拍动翼推进效率的云图,并与尾流中各种转捩边界进行比较,发现推进效率的最大值与二维尾流到三维尾流转捩的边界吻合较好。其次,由于是在相同雷诺数下,相同的参数空间中绘制的推进效率和尾流转捩线,因此可以对纯俯仰水翼和纯升沉水翼的推进效率进行直接的对比。发现纯升沉水翼比纯俯仰水翼更早发生2D-3D的转捩。即纯升沉水翼的推进效率的峰值更接近于拍动翼尾流偏转的转捩边界。最后,定量上,本文发现纯俯仰水翼推进效率的最大值为15.6%,而纯升沉水翼的最优推进效率为17%。因此至少在当前雷诺数Re=1700的工况下,纯升沉水翼的推进性能比纯俯仰水翼的略好。