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大型铸件组织缺陷的预防及控制仍然是当前材料成型过程中的难点,要想真正解决铸件组织缺陷,必须深入理解不同工艺下铸件微观组织的形成过程和宏观场传输现象,这一问题一直是人们广泛关注和研究的课题之一。计算机技术的发展使数值模拟成为研究凝固过程的一种重要方法,对于更加深入探索微观组织的形成机理、分析宏观场传输现象、改善组织缺陷具有非常重要的意义。本文基于模拟枝晶生长的CA(元胞自动机)模型和模拟宏观场的LB(格子玻尔兹曼)模型,建立了一个模拟铸锭凝固的全域宏微观耦合CA-LBM模型,且模型中采取了一种新的LBM溶质场计算方法。首先,用LBM模型模拟了Poiseuille流动、温度驱动方腔流动、二维溶质及温度扩散等经典问题;接着,用CA-LBM模型研究了对流条件下单/多枝晶的生长行为;最后,分析了不同工艺条件下全域凝固微观组织的变化。根据上述研究方法,进行了如下研究并得到结论:(1)计算分析了Poiseuille流动、温度驱动方腔流动、二维溶质及温度扩散,并与解析解进行对比,模拟结果与解析解一致,结果表明:LBM模型及程序的合理性。(2)计算分析纯扩散及自然对流下单枝晶的生长,并与LGK(Lipton-Glicksmankurz)理论解对比,模拟结果和理论解吻合,结果表明:CA-LBM耦合模型能正确地模拟枝晶生长过程。(3)计算分析各系数、冷却速率、对流对枝晶生长的影响,结果表明:各向异性越大一次枝晶越长,Gibbs-Thomson越大枝晶越粗,当两者都很小,枝晶尖端出现分裂生长;冷却速率越大枝晶的二次枝晶越多;自然对流及强制对流会使枝晶呈非对称性生长,流动强度越大枝晶的非对称性越明显。(4)计算分析不同工艺下CET(柱状晶向等轴晶转化)转化,结果表明:自然对流对CET组织形貌产生很大影响;浇注温度越小CET转化越不明显,枝晶越粗,柱状晶的偏转角越小,凝固速率越快;一定换热系数下,换热系数越大,枝晶越粗,柱状晶越多;铸件越薄,柱状晶越不明显,等轴晶越多,凝固速率越快。(5)将强制对流多枝晶生长、CET转化模拟结果分别与实验对比,结果表明:强制对流下多枝晶生长形貌、CET组织的模拟结果和实验吻合;CA-LBM耦合模型具有可靠性和有效性,可以用于模拟计算全域微观组织和宏观场传输现象。