相场方法已经成为模拟材料微观组织演化的一种重要且非常有效的方法。将凝固相场模拟与原位观察实验相结合，可以深刻揭示控制凝固组织演化的潜在物理机制。我们将Al-Cu合金定向凝固过程二维模拟与同步辐射X射线原位实时观察和相关的凝固理论进行了定量比较，验证了相场数值模拟的准确性。根据模拟和实验，研究和分析了定向凝固过程固液界面形貌演化规律，并在定向凝固初始过渡阶段发现了固液界面形貌由胞状或者树枝状向海藻状组织转变的模式。由于实验中不可避免地存在自然对流，因此，为使模拟更准确地反映实际凝固过程，将流体动力学与相场模型进行耦合，研究了液体自然对流与凝固之间的相互作用，及液体流动对定向凝固柱状晶生长动力学、生长形貌和枝晶间偏析的影响规律。除了定向凝固之外，也开展了考虑液相流动和固相晶粒运动的等轴晶凝固过程多场耦合模拟，以及借助于高效率的相场计算方法，对连续冷却等轴晶X射线原位观察实验进行了全尺寸的三维大规模并行计算模拟，并获得了与实验完全一致的结果。