本文研究了二元金属合金定向凝固过程中的对流和扩散现象以及对材料凝固微观结构形态的影响。首先实验观测了二元合金材料凝固过程中微观结构的生长和分布规律,分析研究了生长过程中液相的内部流动。然后,采用数值方法模拟了材料实验体系流动状态,得到了与实验现象一致的计算结果。论文在实验研究基础上,提出了液固两相体系中液体流动不稳定性的理论研究模型,着重研究了含有多孔介质系统中的浮力驱动、表面张力驱动的热对流和浓度对流现象,引入了非均匀多孔介质系统的新理论模型,研究了材料液固共存的糊状区(mushy layer)对液体对流的影响。　　 研究内容和科学结果如下:　　 1.后处理方法实验　　 针对非细化A1-3.5wt%Ni合金,采用坩埚交变旋转技术实验以研究了其柱状试件定向凝固过程中的柱状晶-等轴晶转捩条件,该问题至今未见国际上类似的研究。结果表明,提拉速度和旋转效应都不能改变凝固微观结构以柱状晶形式生长,故又借助于数值方法加以深入研究。建立了定向凝固材料生长的糊状区计算新模型,开发了程序,模拟并获得了与实验现象相一致的流场和液固形貌计算结果,理论证明了当前系统下不会发生柱状晶-等轴晶转捩的原因。　　 2.X射线实时观测实验　　 针对A1-4wt%Cu合金,采用X射线同步加速器对其片状试件进行等轴晶形式的凝固演化过程进行了全程与实时观测研究。采用统计学方法,对等轴晶晶核的成核、生长、沉降以及相互作用等现象进行了深入分析,获得了晶核尺寸的空间分布规律,发现了非均匀温度分布和液相中溶质传输规律所产生的影响。　　 3.液层/多孔介质层系统的Rayleigh-Marangoni-Bénard对流　　 采用线性稳定性分析方法研究了液层/多孔介质双层系统在竖直温度梯度下的浮力驱动对流和表面张力驱动对流,特别研究了系统上自由表面热导通性对对流模式的影响。在给定系统厚度比的情况下,边界热导通性可以消弭表面张力驱动对流,而不会彻底阻止浮力驱动对流的发生。本文研究发现,两种驱动力耦合下的对流模式有可能在边界热导通性增加的过程中而发生转换。　　 4.液层/多孔介质层系统的热毛细对流　　 采用线性稳定性分析方法首次研究了液层/多孔介质层双层系统在水平温度梯度驱动下热毛细对流稳定性问题,对该问题的研究目前国际上还未见相关报道。本文理论分析了两种基态流动下,系统失稳之后的不同对流模式,发现了液层/多孔介质层界面处滑移效应的重要影响。　　 (1)当基态为热毛细Couette流时,展向扰动的发展可能出现两种对流模式:热力波和静态Marangoni对流,而本文的研究结果发现,液层/多孔介质层界面处滑移效应的增加有利于系统以后者形式出现。　　 (2)当基态为热毛细回流时,展向扰动的发展只有热力波模式,液层/多孔介质层界面处的滑移效应只起到促进系统失稳的简单作用,模式转换问题不会出现。　　 分析结果还表明,两种基态流动的流向扰动只可能发展成为传播型Marangoni对流,即以一定的相速度沿与基态流动相一致的方向传播的Marangoni对流。　　 此外,本文还第一次将扰动方向设定为任意方向,理论给出了不同的基态流动下扰动最容易发展的方向,即最危险方向,从而更加贴近于系统流动失稳后实际工况。　　 5.液层/非均匀多孔介质层系统的浓度对流　　 新提出了多孔介质层的孔隙率非均匀性理论分析模型和特征分布函数,详细研究了不同孔隙率变化率对系统失稳后的对流速度、浓度分布形式、系统失稳的临界状态等问题。理论分析了液态A1-3.5wt%Li合金系统浓度对流现象及稳定性特征,简化了理论模型,忽略了相对较弱的温度梯度效应,将浓度梯度设定为激发系统失稳的唯一因素。本文将凝固提拉速度与系统厚度比、孔隙率分布等主要参数关联,首次得到了系统失稳模式转换的临界提拉速度。