经略海洋,装备为先。作为海洋装备中的新星,水下机器人于近年来在海洋开发、海洋管理、海洋安全等方面扮演着愈加重要的角色,尤其在海洋环境观测、海底地貌扫描、水下管道检修、事故应急、武器运载、目标侦查等领域广受青睐。以鱼类等海洋生物为仿生原型的水下机器人具有优越的运动灵活性、目标隐蔽性和环境适应性等诸多天然优点,能够有效弥补常规螺旋桨动力推进所带来的机械效率低、噪声高、抗环境扰动能力弱等短板,因此成为研究热点。然而,与自然环境中的仿生原型相比,当前的仿生机器在运动性能等方面依然相形见绌,多数表现得形似而神不似,究其根源,主要在于未能精准、科学地认识和利用仿生原型的运动机理。可见,解决这个矛盾的前提和有效科学路径在于深入揭示海洋生物基于流体动力的运动机理。鱼类游动等海洋生物的运动行为,本质上是柔性结构(躯体、翼、鳍等)与流体耦合系统的动力学行为。为此,本文从揭示仿生柔性结构与流体耦合系统运动机理的源头展开研究,发展了一种适用于模拟柔性结构与粘性流体耦合作用的数值方法,并基于该方法仿真研究了三个由自然界中的生物体-流体耦合运动现象抽象而来的物理模型,包括多柔性板绕流系统、柔性板与弹性圆柱串列绕流系统、仿水母柔性喷射推进,并对其内在的机理进行了深入分析。本文首先建立了一种基于分域异构并行策略的流固耦合数值方法。在该数值方法中,流体域、结构域和边界域这三个数值区间分别采用了不同的数值算法进行求解。其中,粘性流体的数值求解采用的是格子玻尔兹曼法,柔性结构边界则根据研究对象是否具有被动变形运动而采用直接受力法、有限元法等不同方法,流体与结构边界的动力学参数耦合计算则采用沉浸边界法。通过DPIV实验和数值仿真研究了圆柱绕流、柔性板绕流等经典验证性问题,验证了所建立的数值方法适用于二维和三维流固耦合系统的计算模拟。其次,基于所建立的数值方法,研究了均匀来流中双柔性板串列与并排三维流固耦合系统的运动机理。通过仿真,发现了串列双柔性板系统的绕流存在逆向水动力学特性,即下游柔性板在拍动幅值和阻力方面总是大于上游柔性板,两者之差随流向间距的增大而减小;发现了并排双柔性板的运动存在三种典型拍动模态,即单板模态、对称模态和独立模态。通过涡量识别,发现了串列双柔性板绕流系统中存在合并脱涡和分离脱涡这两种模式;而并排双柔性板绕流中则存在三种尾涡模式,即合并涡、对称涡和独立涡模式,这分别对应于三种拍动模态。通过流场与结构运动的时间历程分析,初步建立了流动特征与结构动力学特性之间的物理关联,揭示了三维双柔性板绕流系统的运动机理。再次,基于所建立的数值方法,研究了均匀来流中柔性板与弹性圆柱串列流固耦合系统的运动机理。研究发现了无论圆柱处于柔性板的上游或下游,其振动都可能出现减弱、增强和抑制这三种状态。当柔性板置于圆柱下游时,柔性板的运动存在逆向拍动、正向拍动和偏斜拍动这三种形态;柔性板与圆柱尾涡存在两种耦合模式,即积极模式和消极模式,其中积极模式下的双排“2S”形态有利于柔性板的减阻。当柔性板置于圆柱上游时,柔性板的运动呈现出双稳定性特征,包括伸直模态和大幅稳定拍动模态;圆柱与柔性板尾涡存在三种耦合模式,即浸没模式、蛇形穿越模式和截断模式,其中,蛇形穿越模式有利于圆柱实现增振和减阻,其最大增振幅度和最大减阻幅度分别为7.84%和12.91%,而浸没模式和截断模式则会减弱甚至是抑制圆柱振动同时实现大幅度减阻,其最大减振幅度和最大减阻幅度分别为88.26%和57.95%。通过流场与结构运动的时间历程分析,初步建立了流动特征与结构动力学特性之间的物理关联,揭示了柔性板与弹性圆柱绕流系统的运动机理。最后,基于所建立的数值方法,研究了仿生水母基于躯体主动柔性变形的推进机理。结果表明:变形雷诺数和波形系数的提高有利于大幅提升仿生水母的推进力和位移,其最高单位周期位移为2.13倍体长,最高推进效率约为17.63%;躯体柔性变形的时间非对称性有利于推进位移的提升,无论是采取“快缩慢张”还是“慢缩快张”的柔性变形模式,仿生水母都能实现有效推进;仿生水母推进过程中的惯性滑行行为有利于提高单位周期推进位移。基于结构与流场运动的时间历程分析,初步建立了柔性变形、流动特征和推进性能之间的物理关联,揭示了仿生水母实现有效推进与优化推进性能的内在机理。