树枝晶是最常见的凝固组织，其形貌和尺寸直接决定最终铸件的性能。深刻理解枝晶凝固过程，并进一步加以工艺调控，从而获得符合预期性能的铸件，是材料科学家和冶金工程师的共同目标。实际铸件凝固过程几乎都是在地面完成，不可避免地受到重力的作用。重力不仅会使液体自身因内部密度不均匀而产生对流，也会使凝固析出的固相上浮或下沉，但目前对重力影响枝晶生长动力学的研究尚不完善，多数忽略了固、液相流的作用。本文利用定量相场模型，深入研究了重力环境下铝合金凝固过程的枝晶生长行为，包括液相自然对流对等轴晶生长动力学和柱状晶尖端稳定性的影响、固液两相流对单个等轴晶和多晶组织的生长动力学及铸件晶粒尺寸预测和分布的影响。主要研究内容和结论如下:　　(1)利用相场模拟研究了连续冷却条件下Al-4wt％Cu合金凝固过程中液相自然对流对静止等轴晶生长动力学的影响。研究表明，凝固过程中由于溶质再分配会向液相中排出Cu溶质，在重力作用下使得Cu沿着固液界面下沉，形成自然对流。这一流动可以及时地带走枝晶迎流侧尖端排出的溶质，从而加速该侧枝晶臂生长;而溶质在背流侧富集，使得该侧枝晶臂生长受到抑制;水平方向的枝晶臂则几乎不受影响。枝晶尺寸越大，对流越强，对枝晶生长的影响也越显著。将该模拟结果与仅考虑溶质扩散的相场模拟、同步辐射X射线的原位观察实验进行了对比，结果表明考虑自然对流的相场模拟与实验数据吻合更好，从而证实了自然对流对等轴晶生长动力学和形貌的影响作用。　　(2)利用相场模拟研究了Al-4wt％Cu合金定向凝固条件下液相自然对流对静止柱状晶的影响。研究表明，无论考虑熔体自然对流与否，在较慢冷速下，晶体都会经历“平面晶—胞晶”的形貌转变序列，但在较快冷速下，形貌转变则遵循“平面晶—胞晶—柱状晶—海藻晶”的规律。较快冷速条件下的对比模拟显示，自然对流能明显促进柱状晶尖端失稳分裂，即将其分裂时间提前。进一步分析得出，枝晶尖端失稳的条件是尖端半径必须大于临界扰动波长，然后通过尖端分裂使得半径减小，随后继续增大，接着再次分裂减小，如此反复振荡循环。尖端的失稳满足经典的Mullins-Sekerka稳定性理论。　　(3)建立了耦合固液两相流的合金枝晶凝固相场模型，该模型将固、液两相的运动统一考虑，可同时描述枝晶生长、液相对流和固相运动等复杂行为。随后，通过多个算例验证了该模型的正确性。基于所建立的模型研究了重力环境下单个枝晶的生长行为，结果表明，枝晶运动对四个枝晶臂的生长不对称性产生很大影响，其作用效果远大于溶质自然对流效应，使得向下生长的枝晶臂生长最快，向上生长的枝晶臂生长最慢，这与枝晶静止时的生长行为正好相反。将该模拟结果与考虑对流效应的枝晶生长边界层理论进行对比，揭示了枝晶生长速度随流动欧拉角变化的规律。进一步地，利用新模型研究了重力环境下多晶组织的演化行为，发现由于枝晶之间的相互作用，多晶生长过程与单个枝晶有很大不同，包括生长动力学、流场形式、运动路径等。且在枝晶的不同生长阶段，起主导作用的效应不同，凝固初期、中期和末期的控制因素依次为溶质自由扩散、枝晶运动、溶质软碰撞。　　(4)基于相场模拟研究了固液两相流对孕育处理铸态Al合金晶粒尺寸的影响，并提出了定量预测晶粒尺寸的解析模型。在模拟中，需要计算某一确定工艺参数下所产生的有效晶粒形核数量，在充分考虑了形核、枝晶生长和粗化行为的基础上，基于统一形核停止判据，推导出了有效晶核数量与工艺参数之间的解析关系式。依据这一关系式，提出了一个新的预测晶粒尺寸的解析模型。该模型能够综合考虑再辉抑制形核和溶质抑制形核两种效应。在等温凝固和非等温凝固两种条件下，将该模型的计算结果与实验数据、数值模拟结果等进行对比，三者吻合良好，证明了该模型的准确性。基于上述解析关系式，使用相场模拟研究了固液两相流对铸态组织品粒尺寸的作用，发现固液两相流对平均晶粒尺寸影响很小，但对晶粒的空间分布和尺寸分布影响强烈。纯扩散情况下，两者都很均匀，而耦合固液两相流的影响后，晶粒趋向于在底部形成沉积堆，晶粒间的尺寸差别也很大。