液态金属凝固是材料加工的重要手段之一，凝固后得到的组织直接决定着铸件的使用性能。凝固过程涉及复杂的物理、化学变化：宏观上伴随着热传输、动量传输、质量传输；微观上涉及形核、生长动力学等过程。由于凝固过程在高温下发生，金属不透明，实验研究缺乏直观有效的方法。计算机技术的提高使得用数值模拟方法研究凝固过程获得很大发展，随着宏观模拟技术逐渐成熟，微观组织模拟技术开始成为研究重点。首先，利用元胞自动机（Celluar Automaton）方法和显式有限差分（FiniteDifference）技术建立了枝晶生长CA-FD模型。模型在计算溶质扩散的基础上，综合考虑形核、枝晶生长动力学、界面能效应等因素，实现了在不预设晶核形状的情况下，即可模拟出发达的枝晶。对CA-FD模型进行求解，研究了熔体过冷对枝晶形貌、成分分布的影响，并验证了界面能稳定效应与溶质截留现象；分别采用Von Neumann和Moore邻居配置，模拟了择优取向为0°和45°的枝晶形貌；在考虑连续形核过程的基础上，模拟了多枝晶生长，有效避免了以前研究中对枝晶形貌的人为假设。其次，通过与宏观传热计算相耦合，开发了宏微观耦合晶粒组织模拟系统。系统考虑了随机形核、生长。研究六种不同元胞邻居配置及捕获规则下的单晶粒与多晶粒生长行为，并提出定量表征模型，将不同邻居配置模型的模拟结果参数化，为模型的选择提供了依据。最后，开发了基于OpenCV的可视化程序，实现了计算过程中模拟结果实时显示，并能对模拟结果进行保存，也可以导入之前模拟结果，并对其进行统计分析，避免了对商业后处理软件的依赖。