在水生环境中,鱼类具有不同的生态位并且面临着不同的生存压力,因此在数百万年的自然选择下形成了丰富的物种多样性。鱼类卓越的游动能力和对水生环境的极强适应性是长期进化后获得的优化结果。为了适应环境和提高游动性能,鱼类发展出了不同的形态结构和游动方式。在此基础上,鱼类还会采取其他的一些方式来进一步优化推进性能,例如,间歇游动和集群游动。与传统的螺旋桨推进方式相比,自然界中的推进方式使得鱼类具有高效率、高机动性和低噪音等特点。在过去的几十年间,鱼类游动的背后所蕴含的机理深深地吸引着研究人员,水下仿生载具和机器人的发展已然成为当前的研究热点之一。其中,仿生机器鱼是一种能够模仿特定鱼类物种游动方式的水下机器人。研究鱼类推进性能的优化机制有助于更好地设计水下仿生机器鱼。近些年,随着计算机技术和计算流体力学（Computational fluid dynamics,CFD）的发展,数值仿真技术已经成为仿生工程研究中不可或缺的手段。以水下仿生推进技术的工程应用为背景,本文主要利用数值仿真的方法对鱼类游动进行建模和性能分析研究。研究将分别从形态结构特征、运动学特征、间歇游动和集群游动这四个方面展开,主要的研究工作和所取得的研究成果分别如下:（1）鱼类的形态结构对其游动性能具有显著的影响。作为众多仿生机器鱼的设计模板之一,鲔科鱼类在进行长距离游动时具有高速、高效率的优点。金枪鱼是鲔科鱼类的典型代表,其具有流线型的鱼体和大展弦比的尾鳍。与其他的鱼类相比,由于金枪鱼具有纤细的尾柄,所以尾鳍和鱼体相对“分离”。本文从形态结构特征的角度出发,利用二维数值仿真的方法研究了分离的尾鳍对推进性能影响。文中考虑了鱼体和尾鳍之间的结构关系以及二者的间距所产生的影响。数值仿真结果表明,尾鳍前缘对尾鳍推力的提升至关重要。尾鳍前缘与来流涡之间的相互作用对尾鳍推力的大小具有重要影响。（2）鱼类游动时的运动学特征能显著影响其推进性能。根据推力的产生方式,鱼类的游动模式主要分为身体/尾鳍游动模式（Body and/or caudal fin,BCF）和对鳍/中间鳍游动模式（Median and/or paried fin,MPF）。这两种模式都可以进一步细分为多种子类型。通过对大口鲶鱼游动的观察,本文提出了一种新型的“组合波动”游动模式。与已有的游动模式不同,大口鲶鱼的游动同时具备BCF模式和MPF模式的特征。具体来说,大口鲶鱼在游动时其鱼体和长基线臀鳍均产生了明显的波动。在对活体样本进行运动学分析的基础上,本文对这种“组合波动”游动模式进行了建模与仿真。仿真结果显示,鱼体波动和带状臀鳍波动之间的相角差对推力和升沉力具有显著的影响。特别地,在大口鲶鱼的实际游动中最为常见的同相位组合波动可以显著提高推力。此外,本文还考虑了带状鳍相对于鱼体的摆角大小以及游动频率对推进性能的影响。（3）除了对形态和运动学特征进行优化以外,鱼类还存在一些特殊的“运动规划”行为,以进一步提高游动性能。许多鱼类在进行远距离游动时,更倾向于以一种间歇性的方式进行游动。本文利用预应变肌肉收缩模型成功地实现了鱼类间歇游动的数值模拟。从游动速度和能耗两个方面对连续游动和间歇游动进行了比较。此外,还研究了占空比和爆发游动阶段的摆尾次数对推进性能的影响。仿真结果表明,较小的占空比在获得相同游速时能节省更多的能量,而较小的摆尾次数则更有利于提高能量的利用率。与中等游速条件相比,在较高或者较低的游速条件下,间歇游动的优势更为明显。该结论与实际情况相符,即鱼类的间歇游动行为在低速游动和高速游动条件下更为常见。（4）集群行为是生物系统中普遍存在的现象,特别是在飞行和游动的动物群体中。本文采用预应变肌肉收缩模型对两条鱼的串列游动进行了数值研究。为了仿真的简化,采用PID控制算法使两条鱼都有水平直线游动的趋势。在此基础上,研究了两条鱼之间的相位差和初始间距对游动过程的影响。仿真结果表明,游动过程可以分为两个阶段:前期的非稳态游动阶段和后期的稳态游动阶段。在不同的相位差和初始间距条件下,两条鱼在稳态游动阶段都会达到相同的游动速度。与此同时,后方个体和前方个体的尾迹涡之间均形成了同一种流场结构。此外,即使在一定程度上减小后方个体肌肉的收缩幅度,这一现象同样会发生。节能效果的分析表明,后方个体可以通过主动减少肌肉收缩来节省大量能量。仿真中出现的这种流场结构有助于后方个体更好地利用前方个体尾迹涡中的能量。本文所开展的水下仿生推进建模及性能分析研究,对理解鱼类的游动和水下仿生机器鱼的性能提升具有一定的指导意义和应用价值。