铸锭/铸件的宏观偏析研究是铸造领域的热点问题,也是难点问题。纵观宏观偏析研究历程,数值模拟已经成为当前预测铸锭宏观偏析的主流,对于深刻认识凝固过程中微观组织的形成以及改善铸件的使用性能具有重要意义。本文构建了模拟单相固溶体合金凝固过程的三维LBM-CA耦合模型,其中CA模型用于微观组织生长,LBM模型用于计算流场、温度场、溶质场,从三维尺度模拟研究枝晶的生长行为,研究自然对流对单相固溶体合金凝固过程的影响。所完成的主要研究内容及得出的结论如下:(1)首先,根据构建的三维LBM-CA模型模拟过冷熔体中纯扩散条件下不同择优取向单枝晶的生长过程,将模拟的枝晶形貌、尖端稳态生长速度、尖端半径特征参数与LGK解析解和相关实验拍摄到的枝晶形貌进行对比,结果符合较好,验证了耦合模型的合理性以及模拟结果的正确性。(2)接着通过三维方腔顶盖驱动经典算例,验证了三维LBM模型计算流体程序的正确性。在此基础上计算自然对流下不同生长取向的单枝晶生长过程,将枝晶生长形貌、溶质分布、生长速率与纯扩散的模拟结果进行对比,结果表明,自然对流影响空间溶质分布,将溶质从迎流端前沿输运到顺流端前沿,迎流端枝晶生长优于顺流端。(3)计算三维自然对流下初始过冷度对枝晶形貌和溶质偏析的影响,结果表明,初始过冷度较小时,一次枝晶生长的不对称性更为明显,初始过冷度较大时,固相向界面前沿排出的溶质越多且扩散不充分,使枝晶间的液相溶质浓度偏高,偏析更严重。(4)将自然对流条件下二维和三维的模拟结果进行对比,结果表明,三维自然对流熔体的流线可以绕过整个一次枝晶臂主干,并且在枝晶臂间进行穿梭,形成空间的立体环流,溶质富集层厚度更薄,及时将界面前沿排出的溶质带走,能够更加合理地反映熔体的流动以及枝晶的实际生长情况。(5)在上述研究基础上,模拟铸锭的全域凝固过程,再现柱状晶向等轴晶的转化(CET转化),展现熔体中自然对流流线的变化过程,结果表明,在凝固初期,自然对流加速了溶质的扩散,促进中心等轴晶区的形核,增加了细化晶粒的可能性,使CET转化提前;在凝固后期由于内部大量随机形核的等轴晶抑制了自然对流,溶质的定向输运不再明显,整个模拟区域的溶质分布较为均匀。