本文采用数值方法探讨直接金属激光烧结过程的固液相变传热问题及其烧结工艺要求的热质环境控制中的传热传质问题。直接金属激光烧结是一种通过激光束照射金属颗粒以实现逐层烧结的功能元件制造技术,该技术具有选材范围广泛、工艺简单的优点,已广泛应用于航天、国防、医疗等诸多行业大型复杂高性能技术件的直接制造。在烧结过程中对其固液相变及热质环境的控制不仅影响金属烧结成型件的精度与质量,而且对烧结效率也有重要作用,特别是改善烧结过程的“结球”现象。因此,对激光烧结过程的固液相变及传热传质研究具有较高的工程价值;同时,对热质环境双扩散对流引起的振荡、分岔等非线性现象进行探讨,将获得新物理规律和非线性特性以及理论上的新见解,具有重要的科学价值和理论价值。针对直接金属激光烧结过程复杂,涉及辐射、对流、体积收缩、相变引起的表面张力、渗透作用及高强度热流导致的非平衡热效应等,本文首先提出了考虑上述作用的激光烧结非平衡态模型对激光烧结中固液相变问题进行研究;为提高数值模型的精度,本文接下来通过耦合粉末床水平模型和颗粒水平模型,构建了激光烧结多尺度非平衡态模型,利用该模型探讨了烧结参数对烧结中固液相变的影响。然后,本文发展了考虑Soret和Dufour效应的热质双扩散对流模型对烧结热质环境进行了数值模拟,并探讨了其热质双扩散对流的流动、传热、传质及非线性特性和物理规律。通过以上直接金属激光烧结研究工作,本文取得如下成果:1.利用直接金属激光烧结非平衡态模型进行数值模拟,结果证实,烧结过程中,熔化区、固液两相区及热影响区形成;熔化区的深度主要受浮升力和体积收缩的影响,而熔化区宽度主要由表面张力控制。随着激光强度的增加、粉末床初始孔隙度的增加或激光扫描速度的减小,粉末床表面、液相-固液两相区界面、固液两相区-固相区界面的深度增加。并且激光强度和初始孔隙度对熔化区、固液两相区及热影响区的影响作用比激光扫描速度的影响作用大。2.通过直接金属激光烧结多尺度非平衡态数值模型的模拟研究表明:随着初始孔隙度的增加或初始温度的增加,预热段持续时间缩短,液相区形成后熔化速率加快;而颗粒尺寸对整个熔化过程的影响可以忽略。随着初始孔隙度的增加、初始温度的减小或颗粒尺寸的增加,粉末床表面的熔化温度范围变大,但是初始孔隙度对熔化温度范围的影响远大于初始温度及颗粒尺寸对熔化温度范围的影响。3.借助考虑Soret和Dufour效应的水平腔热质双扩散对流模型进行研究,结果显示,随着浮升力比或瑞利数的增加,流场从以导热为主的流体结构发展为对流为主的流体结构,最终演变成周期性振荡对流。沿着流场结构的演变路径,流场的漩涡数、温度场和浓度场的回形涡数目减少。然而,随着纵横比的减少,流场的漩涡数、温度场和浓度场的回形涡数目增加。在以热传导为主的阶段,(?)和(?)保持不变;在以对流为主的阶段,随瑞利数或浮升力比增加,(?)和(?)均增加。此外,(?)和(?)随着纵横比的减小而增加,但增加趋势逐渐减弱。4.在对稳态双扩散对流的研究工作基础上,对振荡双扩散对流进一步探讨。结果表明,随着浮升力比或者瑞利数的增加,热质双扩散对流经历了稳态对流、周期振荡、准周期振幅三种流态,最终演变为混沌流。此外,随着浮升力比的持续增加,系统从混沌演变为周期振荡流,而随着瑞利数的增加观测不到这样的现象。同时,随着瑞利数或者浮升力比的增加,基频和波动幅度也增加。5.随着纵横比的减小,振荡对流从周期振荡对流演变为稳态流;在流场结构演变的同时,随着纵横比的减小,基频先增大后减小,波动幅度一直减小。随着Soret和Dufour效应的增强,振荡对流从混沌流转变为周期振荡流;与此同时,由于Soret和Dufour效应的增强强化了热量传递和质量传递,因此基频、max((?))和max((?))都随之增加。