掌握和控制凝固过程组织形成对获得高质量的铸件具有重要意义。近年来，为再现金属凝固过程组织演化特点，揭示凝固组织形成机制，计算机数值模拟已经成为国内外很多学者所采用的研究方法。相场方法作为一种有效的数值模拟方法，克服了其它数值方法的缺点，能够很好地模拟凝固过程复杂界面的演化过程。但是由于精确实验数据匮乏，目前大多数相场模拟都是定性或者半定量地预测了凝固组织的演化特点，未能确定数值模拟能否准确反映固液界面演化动力学。本研究采用自适应网格的有限元法求解相场模型控制方程，采用定量模拟与实验紧密结合的研究方式，主要进行了以下几方面工作：　　 (1)镍的过冷熔体中自由枝晶生长的相场模拟。首先基于热力学定律推导了纯物质相场模型，比较了目前广泛使用的两种相场模型在模拟纯物质自由枝晶生长方面的差异。然后研究了不同的模型参数，如界面宽度、计算域大小、扰动幅度等对相场模拟的枝晶形貌的影响。最后将相场模拟结果分别与经典凝固理论和实验数据进行比较。与经典理论比较结果表明，相场模拟与其预测值差别较大。与实验数据的比较结果显示，在过冷度低于0.1Tm(Tm为镍的熔点温度，K)时，模拟的晶体生长速度与实验测得的凝固速度吻合较好；在过冷度高于0.1Tm时，界面动力学作用明显，晶体生长控制方式发生转变，模拟结果与实验差别较大，经典的界面线性动力学已不再适用。另外在引入扰动的相场模拟中再现了二次枝晶臂的四种粗化模式，部分模式已在透明有机纯物质的凝固过程中得到证实。　　 (2)Al-4wt.％Cu合金定向凝固初始过渡阶段组织演化相场模拟分别与凝固理论和原位实时观察实验的定量比较。研究结果表明，相场模拟的定向凝固初始过渡平面凝固阶段与Warren-Langer理论模型预测一致，确定了相场模拟能够准确反映扩散控制的凝固过程。在与实验数据进行定量比较时发现，由于实验中自然对流的存在，相场模拟结果只与平面凝固初期阶段吻合很好，而在平面凝固后期，自然对流较强，模拟与实验差别较大。平界面失稳后，模拟的初期胞状晶间距与实验中流动跟胞晶生长方向平行的区域内的胞晶间距差别较大，而与实验中流动跟胞品生长方向垂直的区域内的胞晶间距吻合较好。为给出初始胞晶间距与材料和凝固工艺参数之间的关系，通过大量的相场模拟，得出了与模拟和实验吻合都很好的解析模型。最后分析讨论了实验中自然对流的形式及其对界面演化动力学的非线性作用。　　 (3)Al-4wt.％Cu合金定向凝固初始过渡阶段凝固组织形貌演化的相场模拟与海藻状组织形成机制。当冷却速度和温度梯度满足成分过冷的平界面失稳判据时，界面形状的演化随着温度梯度和冷却速度的变化而变化。通常认为平界面失稳后，界面由平面状向胞状(Cellular)，再由胞状向树枝状(Dendritic)转变，但研究发现了两种新的转变模式：胞状或者树枝状向海藻状(Seaweed)的转变。其中海藻状组织的存在和由胞状向海藻状的转变模式已经在实时观察的实验中得到了证实。根据模拟结果，研究了海藻状组织的形成机制，并对其生长动力学进行了表征。当尖端界面的生长速度增加到一定值时，胞晶或者树枝晶的尖端界面会失去稳定性，产生分裂。胞晶或者树枝晶尖端分裂满足Mullins-Sekerka失稳判据，即当尖端半径大于界面前沿的最短扰动波长时，尖端界面就不能保持其稳定性而产生分裂。海藻状组织的尖端分裂周期与溶质的扩散特征时间处于同一尺度，这与原位实时观察实验和已报道的透明有机合金实验结果一致。　　 (4)流动对凝固组织生长影响的模拟。在前述扩散控制相场模拟与原位实时观察实验比较的结果中，已经表明流动对固液界面演化过程影响的重要性。因此，为进一步深化对实际凝固过程的认识，改进相场模型，耦合流体动力学Navier-Stokes方程，模拟了存在自然对流作用时，Al-4wt.％Cu合金定向凝固初始过渡阶段固液界面演化过程，并将模拟结果与原位实时观察实验进行比较。研究结果证实，考虑流动的相场模拟结果与实验中观察到的固液界面演化趋势一致。另外也研究了强制流动作用下纯物质过冷熔体中的枝晶生长和热溶质自然对流作用下合金枝晶的生长。由于流动传热的影响，枝晶尖端生长速度受流动速度和流动方向影响明显。迎流方向枝晶臂尖端速度的变化随着流动强度的增加呈现指数形式。根据模拟结果分析了流动传热和扩散传热之间的关系，并得到了与对流速度、扩散长度和扩散系数相关的流体贝克莱特数Pc。不同过冷度下，稳态生长的迎流方向枝晶尖端速度与不考虑流动的尖端速度比值与Pc满足指数函数关系。利用这一函数关系可以推测，Pc>1时，流动传热对晶体生长作用明显，Pc<1时，流动传热对晶体生长影响可以忽略，这与理论推导吻合。这一推论同样适用于热溶质对流作用下合金枝晶的生长过程。