镍基单晶高温合金是航空发动机涡轮叶片的主要材料,该材料的定向凝固制备工艺,是航空工业的核心技术。在单晶合金定向凝固过程中,通过控制晶粒组织以得到性能优异的单晶叶片是研究人员长期致力研究的课题。定向凝固数值模拟有宏观尺度和微观尺度之分,宏观模拟主要是基于连续介质理论,研究凝固场中流动、传热和传质现象;微观模拟是主要是通过元胞自动机等方法研究晶粒的形核与生长问题。相较与微观尺度模拟,宏观尺度模拟技术理论更成熟、结果更可靠、更容易应用于实践。目前对凝固过程中液相流动的研究关注点主要在充型过程中,而对定向凝固场中的凝固前沿部分的微流动研究较少。凝固前沿的微流动,特别是枝晶间的流动,关系到液态合金的传热与传质,是决定单晶生长的关键因素,对于合金定向凝固工艺的优化至关重要。然而,液态合金在枝晶间的流动,受到微纳尺度效应影响强烈,基于经典流体力学理论的计算模拟方法已不适用,需要发展在尺度效应影响下的流体动力学模型,方能准确模拟该部分的流体动力学行为。非局部连续介质理论在微纳尺度下弹性力学、固体力学等领域的应用越来越广泛,但在微纳尺度流体动力学方面应用有限。本文基于非局部流体动力学理论,建立液态合金凝固前沿的流动跨尺度模型。研究微尺度以及非局部流体动力学效应对液态镍基合金枝晶生长的影响规律,主要工作包含以下两方面内容:首先,借鉴经典流体动力学模型,通过设定不同的侧壁边界条件,模拟不同拉速下二维宏观凝固场液态金属的流动以及流动作用下温度场的变化情况,进而分析不同拉速下凝固界面的迁徙情况。其次,根据非局部流体动力学理论,建立模拟枝晶界面二维流动的跨尺度模型,并采用SIMPLE算法,求解出凝固界面的微流动速度修正场,以预测枝晶的生长趋势。结果表明,宏观尺度下单晶合金定向凝固受场中流动、传热和传质三个因素共同作用。液相流动可以促进场内温度和溶质的传输,场内温度和溶质的分布不均又可促进液相流动。不同抽拉速度对凝固界面附近液相流动会产生完全不同影响,而凝固界面附近的液相流动又会对枝晶间的微流动产生重要影响。枝晶间液相微流动在非局部尺度效应作用下会促进枝晶非对称生长,不同流向会导致枝晶非对称生长的方向不同,单个枝晶在非局部尺度效应作用下会迎向宏观流动生长。当考虑非局部尺度效应时,采用合适的抽拉速度可以减小微流动对枝晶不对称生长的影响,同时控制凝固界面的形状。