金属合金的凝固是多场耦合作用下的复杂相变过程，它是一个混合着相变热力学(相平衡、相界面、化学平衡)，凝固动力学(溶质再分配、形核、生长)以及各种传输现象(传热、传质、对流)的复杂过程，且凝固过程大都是在高温下进行，不易直接测量和观察微观组织演化规律，所以对凝固过程的实验研究变得较为困难，这也使得计算模拟技术成为研究凝固过程经济而有效的方法。相场方法作为近几十年发展起来的相变过程模拟技术，已经在金属凝固领域得到了广泛深入的应用，成为研究各种复杂条件下凝固过程的重要手段之一。本论文将利用相场模拟的方法，对纯金属Ni及二元Ni-Cu合金的凝固过程进行计算模拟，并且考虑横向限制，边界热流及液相流动对凝固过程中传热，传质及微观组织演化的影响，研究复杂条件作用下的凝固过程，为凝固过程控制提供理论指导。本文的研究内容和主要结论如下：1.利用相场方法模拟了非连续界面存在下的纯金属Ni凝固过程中的枝晶生长，研究结果表明：横向限制的存在对纯金属凝固过程中的枝晶形貌演化具有重要影响，且不同性质横向挡板对纯金属Ni枝晶生长形态具有不同的影响。2.不同形状的横向限制对纯金属Ni凝固过程中枝晶间距调整具有不同的作用：上三角形挡板对枝晶间距的改变最明显；下三角形及矩形的横向限制对枝晶间距具有一定的控制作用，即不同初始间距枝晶绕过这两类挡板后具有基本相同的重新发育模式；不同尺寸梯形挡板对于枝晶间距具有完全不同的调整作用。3.凝固过程中横向限制的存在可以明显改变Ni-Cu合金枝晶演化过程，且会影响相变过程中的溶质传输和热量传导，引起溶质截留效应的改变和温度分布的变化。不同尺寸的矩形挡板对枝晶生长发育具有不同的作用，且挡板的存在能够影响穿过挡板间隙枝晶的发育速度，改变枝晶的微观组织结构。4.利用耦合流场方程的非等温相场模型模拟了不同初始流速下的Ni-Cu合金枝晶生长发育过程。研究发现：随着微观流场的引入，枝晶微观结构沿流场方向不对称发育，且随流场速度增加，不对称性也增大。流场的存在将明显改变流场不同区域固液界面处的溶质偏析效应。同时，流场的存在也能够影响计算区域的传热过程，导致温度分布的不对称效应，且随着液相流速的增大，计算区域的最大温度，最低温度和平均温度均增大，且上游区域的温度始终高于下游区域的温度。5.利用非等温的相场模型，计算了在边界上施加热流作用情况下，Ni-Cu合金的枝晶生长过程。研究发现：边界上的加热效应，能够明显升高计算区域的温度，抑制枝晶的生长发育，而边界上的抽热则会通过降低温度而促进枝晶的生长和发育。不同的边界热处理也会引起枝晶内部溶质分布规律的变化，且在特定大小的边界抽热条件下，枝晶内部的溶质分布将保持均匀，说明溶质扩散以稳定的速率进行，这主要是边界抽热能够平衡相变过程中潜热释放引起的温度升高。6.利用非等温的相场模型，模拟了不同方向的边界热流对定向凝固条件下Ni-Cu合金柱状晶发育过程的影响。研究发现：温度对非等温凝固过程中溶质扩散及微观组织演化具有直接的影响，垂直于柱状晶生长方向的热流将会影响相变界面附近的温度分布，引起扩散水平的改变，最终引发不规则的柱状晶发育；而平行于柱状晶生长方向的边界热流虽然能够改变整个区域的温度分布，但基本不会影响液固界面附近的温度，这使得柱状晶生长基本保持稳定的水平发育。随着温度场随时间的变化，柱状晶内部的溶质分布也发生变化。7.利用非等温的相场模型，计算了不同微观流场及边界热流共同作用下的二元Ni-Cu合金凝固过程。研究发现：大的边界热流作用将会明显改变枝晶发育过程中的溶质和温度分布，最终改变枝晶的微观形貌，减弱微观流场对枝晶形貌的影响。通过对比不同初始流速及边界热流作用下的枝晶微观组织演化过程发现：二次枝晶发育随着流速及抽热速率的改变出现了不同的发育模式，从而得到初始流速及边界热流共同作用下二次枝晶发育模式选择的相图：小的边界热流和大的初始流速作用下，枝晶的二次枝晶主要沿流场方向发育，且流场上游枝晶发育充分；大的边界热流与小的初始流速作用下的二次枝晶沿温度梯度方向快速发育，且当边界抽热速率足够大时，枝晶的稳定发育模式应该是柱状晶形态，但边界热流太大时，固相将以平界面形态生长；两种稳定形态中间存在一个过渡区，且随着初始流速的增大，过渡区宽度增大且向边界热流增大方向移动。