宏观偏析是铸钢件在凝固过程中的一种常见缺陷,通过实验方法研究宏观偏析存在成本大、周期长等缺点。近几年计算机技术的迅猛发展使得应用数值模拟技术研究宏观偏析成为一种发展趋势,同时考虑枝晶形核、生长的宏微观耦合模型在众多宏观偏析模型中的地位日渐突出,该模型在探究宏观偏析的形成机理以及寻求减少宏观偏析缺陷的解决方案方面具有重大的实际应用价值。本文从介观尺度出发,将模拟介观组织形核、生长的元胞自动机(CA)方法和计算宏观传输过程的格子Boltzmann方法(LBM)进行有效耦合。首先,对所建立的模型进行可靠性验证,随后应用CA-LBM耦合模型分别模拟了穿晶、柱状晶向等轴晶的转化(CET)和全域等轴晶等不同凝固过程,最后分析了浇注温度、壁面传热系数和自然对流强度等参数对宏观偏析的影响。通过以上研究得出如下结论:(1)采用LBM模型模拟了Poiseuille流动和圆柱绕流算例、Rayleigh-Bénard自然对流算例和溶质扩散算例,模拟结果与解析解和实验结果吻合良好,验证了LBM模型的可靠性。应用CA-LBM耦合模型模拟了自然对流作用下单枝晶的生长过程,模拟结果与解析解吻合良好,表明该模型可以适用于模拟枝晶的生长过程。(2)模拟了自然对流作用下Fe-0.34wt.%C合金穿晶组织的凝固过程,发现热溶质浮力引起的自然对流是造成宏观偏析的主要原因。分析了浇注温度以及壁面传热系数对宏观偏析的影响,发现浇注温度越高、壁面传热系数越大,宏观偏析程度越大。(3)模拟了合金的CET凝固过程,模拟结果中发现了顶部正偏析以及多条A型偏析带。分析比较了不同壁面传热系数和自然对流强度下的模拟结果,发现传热系数的增加有利于等轴晶的形核以及顶部正偏析区域的缩小,但是A型偏析带的数目和偏析程度也会增加;增大自然对流强度有利于增加等轴晶的密度以及A型偏析的偏转角度,但是流动强度过大会使晶粒尺寸的均匀性降低,顶部正偏析程度增大。(4)模拟了合金的全域等轴晶凝固过程,没有发现顶部正偏析和A型偏析,只在中轴线处出现一条正偏析带,同时等轴晶的晶粒尺寸也更加均匀细小。