鱼类作为世界上最古老的物种之一，具有高机动性、低能耗、高效率的优异游泳性能。从仿生学应用和生态保护的角度出发，对鱼类等生物行为习性的研究一直都颇受重视,因此深入开展各种流场环境下鱼游机理研究具有重要意义。

鱼的游动是由其周围流体压力下的被动运动和鱼体本身肌肉收缩的主动变形共同促成的，必须将二者统一分析才可能实现对其运动机理的真正了解。本文通过高速摄影技术观测了鲫鱼在均匀来流和圆柱绕流流场中的游动过程，经图像数据分析得到不同水流条件下的鱼游运动特征参数和各游泳模式的运动描述表达式。然后在此基础上，通过COMSOL Multiphysics软件对各种流场中的鱼游过程进行了数值模拟，计算分析了鱼体与周围流场的耦合运动过程、流场特征和鱼体力学特性，通过对比分析了流场结构和鱼体受力的主要影响因素及其作用规律。最后，基于鱼体生物特征和运动特征提出了简化的本构模型，开发了鱼类自主推进游动的仿真技术，初步实现了对自由来流和卡门涡街中鱼类自主推进运动的模拟。

研究结果表明，来流速度相同的条件下，鲫鱼在自由来流和圆柱尾迹中游泳时的运动模式有明显差别。在自由来流中游动时，鱼体质心位置基本不变、头部几乎保持不动，仅尾部做周期性摆动。在圆柱绕流形成的卡门涡街中，鲫鱼以卡门步态模式驻留在圆柱后约三倍圆柱直径的位置。整个鱼体的横向运动包括整体随质心沉浮、绕质心转动和鱼体自身摆动三部分。

基于鱼游实验结果拟合得到鱼在自由来流和卡门涡街流场中的运动描述方程，对鱼在不同流场中游动时的流场模拟计算结果表明，来流条件和游动模式对鱼体周边流场和受力特性的影响很大。鱼在自由来流中游泳时，平均推进效率为75.2%。在圆柱绕流尾迹中游动时，圆柱的存在给鱼体提供了有利环境，鱼体克服流体横向力和阻力做功的平均功率均明显减小，平均推力系数增加，平均推进效率增加到338%。这些结果证明鲫鱼通过调整运动形态，在卡门涡街中以较低的能耗获得了较高的推进效率。

基于实验获得的鱼体变形运动描述方程，定义鱼体受到的预应变形式，通过预应变张量模拟鱼体肌肉变形，本文开发了鱼类在水中自主变形进而推进自身游动过程的仿真技术。利用该技术，初步实现了对鲫鱼在自由来流和卡门涡街中自主推进运动的仿真计算。计算得到的鱼体推进速度、运动模式、周围流场结构等均与实验结果定性一致，展示了本文研究成果在复杂流场中鱼类自主推进过程分析和鱼游运动模式、轨迹预测等方面的应用前景。