高性能计算作为有效可靠的计算技术已经渗透到各个研究领域,目前在材料工程学中的应用也非常广泛。优质金属的生产依赖于对凝固过程中显微组织及缺陷的有效控制,受到多种因素的影响,若采取数值模拟对其进行定量研究,可极大降低传统实验所需成本。合金的凝固涉及气/液/固三相之间的复合转变,气孔是造成凝固缺陷的主要因素之一。相场法（PF）以不用显示跟踪区分界面、易于结合其他外场的特点被应用于凝固动力学及流体动力学的数值模拟。格子玻尔兹曼方法（LBM）可有效模拟复杂多变的流体流动,所以被应用于气体和液体等多相流系统。因此,本文结合相场与磁场建立了研究气泡的动力学模型,耦合PF模型与LBM模型建立了基于Shan-Chen多相流耦合气孔PF-LBM模型,模拟了受磁场影响下气泡在流体中的运动情况以及合金凝固过程中枝晶与气泡运动变化。LBM方法的边界易处理,非常适合并行计算,针对PF-LBM耦合模型计算量大、计算效率低等问题,借助了OpenCL并行编程框架来实现对模型的并行求解。主要研究内容及结论如下:（1）耦合控制流体流动的连续性方程、动量方程、相场方程以及磁场方程建立了气泡动力学模型,研究了受垂直与水平方向磁场影响下气泡在流体中的上升过程及形态变化。结果表明,施加垂直磁场后气泡的上升速度加快,而添加水平磁场之后减速,气泡被沿着磁场线的方向拉伸,且形变的程度与磁标量的强度成正比。（2）利用基于PF法的二元合金模型模拟了枝晶微观组织的演化过程,研究了各向异性及溶质浓度对凝固枝晶的影响,基于Shan-Chen多相流LBM验证了气泡在液相中运动的正确性,通过气/液/固三相界面湿润问题验证了耦合PF-LBM模型的可行性。模拟了Al-4.0wt%Cu微观组织中枝晶与气泡的耦合生长,气泡从形核到生长再到合并的自然现象,结果显示,气泡与枝晶间是协同竞争的关系。（3）基于OpenCL采用异构编程平台对PF-LBM耦合模型进行求解计算。对模型做进一步优化,通过改变数据存储方式,设计同步操作以及去除数据依赖等充分发挥CPU+GPU的运算能力。将基于OpenCL异构平台与CPU串行计算系统两者求解所需的时间作对比,分析不同条件及模型下的并行计算结果。结果表明,在基于OpenCL的CPU+GPU异构平台下并行求解的计算时间大幅度减少,相比于CPU计算平台来说在定向枝晶中模拟区域为1000×1500时最高达到了20倍的加速比,在等轴枝晶中模拟区域为1500×1500时最高达到了22倍的加速比。求解时间之间的对比验证了异构系统加速并行的有效性。