对气-液-固界面润湿现象的深入理解是正确认知纳米结构超疏水表面润湿性和金属材料凝固气泡形成机理的必要条件。纳米结构超疏水表面是一种重要的仿生材料,在生产和生活中应用甚广;凝固组织中的显微气孔是金属铸件的主要缺陷之一,显微气孔的形貌和分布对材料的力学性能产生重要影响。格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM)对纳米结构表面的润湿性和凝固气孔形成的模拟研究具有独特的优势。元胞自动机-有限差分方法(cellular automaton-finite difference method,CA-FDM)也是对凝固显微组织进行数值模拟的重要方法。本文应用多相流LBM对纳米结构粗糙表面上液滴的冷凝和蒸发现象进行模拟研究;将LBM和CA-FDM相结合,建立CA-FDM-LBM耦合模型,对合金凝固过程中的枝晶生长和凝固气泡形成进行模拟研究;此外,在无凝固气孔形成时,应用CA模型对合金的温度梯度区域熔化(temperature gradient zone melting,TGZM)和枝晶粗化现象进行模拟研究。应用数值模拟对这些问题进行深入研究,揭示实验研究中较难观测的重要信息和物理机制。应用二维和三维(2D和3D)多相流LBM模型对纳米结构粗糙表面的冷凝和蒸发现象进行模拟研究。通过Laplace定律和接触角理论对多相流LBM模型进行定量验证。采用GPU-CUDA高性能计算算法提高3D多相流LBM模型的计算效率。当计算区域网格数为256~3时,GPU-CUDA并行程序相对于单核CPU程序的计算效率可提高300倍以上。关于液滴冷凝现象的模拟研究发现,对于不同尺寸的纳米结构,冷凝液滴存在三种形核模式:顶端形核、侧面形核和底部形核。顶端和侧面形核的冷凝液滴的最终状态为Cassie态,底部形核的冷凝液滴的最终状态为Wenzel态。模拟得到的液滴最终润湿状态与实验观察一致。通过模拟建立了冷凝液滴的形核模式与纳米结构几何参数的对应关系,纳米结构高度与间隙比值较高的粗糙表面有利于顶端和侧面形核。此外,发现粗糙表面上纳米结构几何尺寸和润湿性的局部不均匀性也会影响冷凝液滴的形核位置和最终润湿状态。关于液滴蒸发行为的模拟研究表明,纳米结构粗糙表面上的Wenzel态和Cassie态液滴在蒸发过程中发生明显震荡,接触角具有显著波动。纳米结构粗糙表面上的Cassie态液滴在蒸发后期润湿状态转变成Wenzel态直至蒸发消失。上述关于液滴冷凝和蒸发现象的模拟研究为设计具有良好超疏水性能的纳米结构表面提供科学指导。建立了CA-FDM-LBM耦合模型,对Al-4 wt.%Cu合金凝固过程中的枝晶生长和凝固气泡形成进行模拟研究。本模型能够对等轴晶和柱状晶生长过程中H浓度的分布演化、H气泡的自发形核、以及随后的气泡生长、合并、运动、及其与枝晶的相互作用进行合理描述。模拟得到的显微气孔形貌与文献中的实验结果吻合良好。模拟结果表明,H气泡的形成需要一定的孕育时间。在孕育期内,液相中的H浓度逐渐升高。当液相中的H浓度达到气泡形核的过饱和条件后,H气泡优先在枝晶臂根部位置自发形核。随着冷却速度的提高和合金熔体内初始H浓度的降低,气孔形核的温度更低、凝固组织中的气孔平均半径减小、气孔体积分数降低。模拟比较了2D和3D条件下Al-4 wt.%Cu合金定向凝固过程中柱状晶生长和凝固气泡的形成演化过程。本文中的CA-FDM-LBM耦合模型对枝晶生长和凝固气泡形成的模拟研究为优化铝合金铸造生产工艺提供有力工具。在无凝固气孔形成的固-液两相区内,应用包含凝固和熔化效应的CA模型模拟了TGZM作用下SCN-ACE合金的熔池和二次枝晶臂的迁移行为。分析了抽拉速度和温度梯度对TGZM动力学的影响。发现二次枝晶臂的平均迁移速度随温度梯度的提高而增大。模拟研究了晶粒组织的Al-7 wt.%Cu合金的TGZM现象,在温度梯度作用下,液相在晶界处形成并沿着晶界或穿过晶粒向高温方向迁移;固-液两相区内的溶质平均成分沿温度升高方向降低。将上述模拟结果和相关的实验和解析模型的预测结果进行了比较验证。模拟研究了SCN-2 wt.%ACE合金在糊状区等温过程中的枝晶粗化现象,通过将固-液界面局部平衡成分和实际成分进行比较,分析了几种典型的枝晶粗化机理;分析了熔化效应对枝晶粗化的作用。CA模拟能够定量显示显微组织演化过程中的界面曲率、平衡成分和实际成分变化规律,为深入理解温度、凝固/熔化、界面几何形状和溶质扩散之间的相互作用关系提供依据。