金属凝固过程中，枝晶和气孔形貌是影响材料宏观性能的一个重要因素，但实验和理论研究都存在一定的局限性。随着计算机技术的发展，利用计算机数值模拟技术研究金属凝固过程是目前材料科学和制造科学发展的重要前沿领域之一。本论文针对凝固过程中枝晶和凝固界面等显微组织和气孔演化过程开展模拟研究，并进行透明合金验证实验，完成的主要工作如下:　　 自行研制透明材料定向凝固过程的实时观察装置。该装置可精确地控制温度梯度和凝固速度，清晰地观察透明材料定向凝固过程中凝固界面和枝晶的生长，气泡形成与演化过程。　　 基于Shan-Chen多相流格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method，LBM)模型，采用考虑次邻近网格影响和不同时间步长的方法，建立了大密度比的LBM模型，与模拟枝晶生长的元胞自动机(Cellular Automaton，CA)方法，模拟温度场和浓度场的有限差分(Finite Difference Method，FDM)方法耦合，建立了耦合的LBM-CA-FDM模型。应用大密度比LBM模型模拟了单气泡的生长并测试了气液界面的虚速度，表明本文建立的LBM模型可以稳定地模拟密度比达800以上的两相流。随后，通过Laplace定理和气-液-固三相之间的润湿性模拟对大密度比LBM模型进行验证。　　 采用大密度比LBM-CA-FDM耦合模型对定向凝固时凝固前沿和气泡的相互作用进行了模拟。结果表明，绝热气泡的存在影响了温度场，导致凝固前沿向着气泡方向凸起。随凝固速度从高到低变化，凝固界面与气泡的相互作用变化趋势为:固相吞没气泡、固相和气泡竞争生长而形成葫芦状气孔形貌、气泡被凝固前沿推开。在适当的凝固速度下，气泡与凝固前沿协同生长，形成长条状气孔。　　 模拟研究了不同位置和大小的气孔对枝晶生长形貌的影响。结果表明，当气孔出现在两枝晶间时，气孔对枝晶生长和排列影响最小。当气泡出现在枝晶侧边时，气泡对枝晶生长和排列的影响最为明显。随气泡的增大，其对枝晶生长和排列的扰动明显增大。气-液界面张力越大，气-液两相密度比越小，气孔形成的孕育时间越短，气孔的体积分数也越高。由枝晶生长和气孔形成的演化过程的模拟结果发现，气泡在枝晶间形核后，除吸收析出气相长大外，还可以通过气泡合并和Ostwald熟化作用长大，气泡沿着枝晶间的液相通道游动和跳跃，并与周围的小气泡合并，形成长条状气泡，部分气泡沿液相通道进入液相区中，部分气泡停留在枝晶间，形成气孔。模拟结果和实验结果吻合良好。