材料的宏观偏析即整体尺度上的成分不均匀分布,是一种典型的铸造缺陷。这种缺陷难以通过后续工艺措施消除,对材料质量造成不良的影响。由于宏观偏析的实验验证成本高、难度大,因而数值模拟方法成为了偏析预测与工艺改良的重要手段。其中,基于体积平均方法的多相流模型近年来被广泛运用于铸锭的宏观偏析模拟研究。基于铸锭内组织特征的不同,本文建立了一种三相基本模型,该模型包含液相、柱状晶相以及等轴晶相。模型考虑了晶粒的形核与长大,以及各相之间的力学作用等微观过程,求解了凝固中的物相转变、热量传递、流体运动等问题。借助Pb-Sn合金偏析基准算例、Fe-C合金斑点偏析算例,以及12吨钢锭偏析分布等实验结果,验证了模型在宏观偏析模拟方面的准确度。通过由三相基本模型简化得到的两相模型,对锡-铅体系合金铸锭的通道偏析进行模拟。研究了液相的热溶质对流现象及偏析通道的形成过程,结合合金成分与铸锭冷却方式对通道偏析形貌进行探究。深入讨论了影响通道偏析严重程度的因素,得到通道偏析严重程度及其相关因素的关系拟合公式。针对大型钢锭,改进基本的三相模型,考虑凝固过程中等轴晶的不同运动状态,提出关于“静等轴晶”的设定及模拟方法。利用该模型预测并分析了36吨钢锭的组织演变与宏观偏析形成过程。结合糊状区液相流动及溶质传输的典型特征,分析了底部负偏析、中部通道偏析、顶部正偏析等的形成过程。采用流体力学判据解释了冒口颈部负偏析的形成原因。结合模型假设,讨论了等轴晶运动状态的不同设定对宏观偏析模拟结果的影响。针对600吨超大型钢锭,借助Fluent软件对多包浇注工艺进行模拟,分析了中间包钢液的流动情况及成分分布,获得了中间包出口成分与时间的关系曲线,并预测了钢锭充填后的成分分布。采用前述的三相模型模拟了钢锭宏观偏析与组织分布。通过比较预测结果,分析了多包合浇工艺对宏观偏析的改善效果。