缺陷预测及工艺优化是铸造宏观过程模拟的最终目的,而铸造充型过程中可能产生的成形类缺陷(如卷气、浇不足、冷隔和氧化夹渣等),往往只能借助充型模拟结果间接地分析,未能充分利用数值模拟技术所带来的数字化分析优势。且随着对铸造模拟技术实用化要求的逐步提高,相关缺陷分析方法已满足不了实际生产需求。采用数值模拟手段对铸造充型过程中成形类缺陷进行深入研究,对提高铸件性能和优化铸造工艺有着十分巨大的价值。本文对铸造充型过程成形类缺陷数值模拟所涉及的各个方面进行了深入的研究和探讨,包括铸造充型过程多相流数学建模、冷隔缺陷演化机理及预测和氧化夹渣缺陷演化机理及预测等。同时,本文基于计算流体力学开源代码完成了相关求解器的开发工作,有助于广大科研工作者深入研究铸造充型过程数值模拟技术。首先,考虑到液固转变对铸造充型过程影响较大,提出了一基于固相率变化的糊状区流动行为计算模型,即高固相率糊状区采用临界固相率方法,低固相率糊状区采用变黏度模型,中等固相率糊状区采用多孔介质拖拽模型,有效地处理了液固转变过程中糊状区不同阶段的流动行为。建立了气液固多相流数学模型,用于计算充型过程中“空气-金属液-已凝固金属”三相间的耦合作用。其中,VOF-PLIC算法用于追踪界面前沿,CSF模型用于计算表面张力,等效比热法和温度校正法相结合共同处理潜热。基于计算流体力学开源代码OpenFOAM,开发了铸造充型过程求解器。计算了两个充型基准实验(S型模具水模拟实验和铝合金基准件充型实验),验证了本文流动场模型基础算法(气液两相流计算)的准确性。计算和对比了不同糊状区流动模型下一底注式铸造工艺的计算结果,验证了本文所提出的糊状区流动行为计算模型的合理性。其次,冷隔的形成是由于一液面前沿已部分凝固,原子的扩散和运动能力较差,无法与其他液面处的晶粒在原子尺度上形成牢固的连接。影响冷隔缺陷的主要因素包括界面前沿凝固状态、碰撞剧烈程度和汇聚程度。考虑到隐式界面追踪算法只能得到扩散型界面前沿,提出了适用于冷隔缺陷预测的界面前沿判断算法。考虑到冷隔缺陷是由金属液界面前沿交汇产生的,参照拉格朗日粒子追踪的思想,提出了判断界面前沿碰撞的算法。结合冷隔缺陷演化机理,提出了一考虑金属相固相率、速度和体积比的冷隔缺陷生成模型,并在已得到的铸造充型过程求解器的基础上,开发了铸造充型过程冷隔缺陷预测求解器。再次,氧化夹渣缺陷的产生是一复杂的物理化学变化过程,并处于气液固多相耦合流动状态。铸造充型过程中氧化夹渣缺陷的主要影响因素包括金属液-空气接触程度、金属液温度和已产生的氧化夹渣。结合已有的化学反应模型(化学燃烧速率计算模型和型芯发气速率计算模型),提出了一考虑金属相体积比、温度和当前氧化夹渣密度的氧化夹渣生成速率计算模型。考虑到充型过程中氧化夹渣会在铸型壁面上发生粘附和累积,提出了一氧化夹渣缺陷壁面粘附模型。在已开发的铸造充型过程求解器的基础上,完成了铸造充型过程氧化夹渣缺陷预测求解器的开发工作。最后,设计了一组多壁厚铜合金低压铸造工艺,分析和对比了不同壁厚下的充型过程和铸件最终充型高度,验证了所提出的糊状区流动行为计算模型在预测浇不足缺陷方面的准确性。设计了一组具有不同浇道的锌合金高压铸造工艺,分析了不同浇道下的充型过程和铸件最终卷气缺陷分布。卷气缺陷预测结果与实际铸件气孔分布对应良好,验证了所采用的气液固多相流模型在预测卷气缺陷方面的实用性。针对一组具有不同浇道的铜合金低压铸造工艺,计算和对比了其充型及冷隔缺陷演变过程。冷隔缺陷预测结果与实际铸件冷隔分布对应良好,验证了所提出的冷隔缺陷预测模型的实用性。针对一典型铝合金铸造工艺和一铜合金低压铸造工艺,对比和分析了氧化夹渣缺陷演变过程。氧化夹渣缺陷预测结果与实际铸件表面氧化夹渣缺陷分布对应良好,验证了所提出的氧化夹渣缺陷预测模型的实用性。上述基准试验件和铸造实验证明了本文铸造充型过程中成形类缺陷数值模拟技术的可行性和实用性,能够为实际铸造生产提供科学指导。