半连续铸造作为高强度铝合金铸锭生产的主要工艺,其凝固过程的控制是获得高质量铸锭的关键,而高质量的铸锭是后续加工工艺的基础。宏观偏析、裂纹与缩松是铸锭在半连铸生产过程中产生的主要缺陷。因此,通过低成本、高效率的数值模拟技术研究铝合金半连铸铸锭的宏观偏析与应力生成机理与影响因素,进而对铸锭缺陷控制进行理论指导,同时具有重要的工程实践意义。本文的主要研究内容包括:宏观偏析连续介质模型的拓展、数值求解以及验证;基于拓展模型的2024铝合金半连铸铸锭的宏观偏析计算;铸造工艺参数对半连铸过程中2024铝合金铸锭宏观偏析的影响规律;基于三相模型的Al-4wt%Cu半连铸铸锭的宏观偏析研究;7050铝合金半连铸铸锭的温度场和应力场数值模拟。其主要研究成果如下:基于拓展的连续介质模型(Vreeman-Krane-Incropera),耦合微观Gulliver-Scheil凝固方程求解宏观的连续方程、动量方程、能量方程以及溶质传输方程,模拟计算铸锭的宏观偏析。采用近似相图的方法处理凝固路径,既能保证足够准确的计算精度,又大大提高了计算效率。采用基于有限体积法的大型流体力学计算软件FLUENT,通过其开放接口的自定义函数加载源项和边界,对数学模型进行了数值求解。并通过与宏观偏析的H-H实验基准算例和Bellet数值基准算例的对比,验证了数值求解方法的有效性。利用连续拓展模型预测了直径为400 mm的2024铝合金半连铸铸锭的宏观偏析。计算结果表明,铸锭表面和铸锭径向100 mm到175 mm范围内为正偏析,铸锭中心和铸锭次表面处为负偏析。同时,研究表明浮游枝晶运动、热溶质对流、凝固收缩是导致这种偏析形态形成的原因。模拟计算结果与文献中的实验测量结果相吻合。基于连续拓展模型研究了铸锭尺寸、铸造速度、浇注温度和二冷区冷却强度对2024铝合金半连铸铸锭宏观偏析的影响。结果表明,铸造参数主要通过影响铸锭液穴的形状和深度来影响宏观偏析。其中铸造速度对液穴深度的影响最大,较大的铸造速度会导致较深的液穴深度,从而使得宏观偏析加剧;同时,随着铸锭尺寸的增加,铸锭冷却速率显著下降,液穴变深,宏观偏析随之增大;而浇注温度对液穴深度的影响不大,主要影响铸锭表面和次表面的宏观偏析;二冷区的冷却程度受水流率的控制,水流率越大,液穴深度越浅,铸锭的宏观偏析随之减小。利用三相模型模拟了Al-4wt%Cu半连铸铸锭的凝固过程,研究了热溶质对流、等轴晶运动以及CET(Columnar to equiaxed transition)转变对宏观偏析的影响。该模型考虑了柱状晶对浮游等轴晶的捕获,等轴晶和柱状晶的相互竞争生长行为。计算结果表明,等轴晶的沉积导致了铸锭底部明显的锥形负偏析区,铸锭径向的偏析形态表现为W型。预测结果与文献实测结果基本一致。利用MAGMA Soft软件计算了7050铝合金半连铸铸锭的温度场和应力场。通过对三种工况的比较,发现引锭杆形状为圆柱形上凸底盘与较短的结晶器高度均可减小液穴深度,而拉坯速度越大,液穴越深。温度梯度的最大值均出现在结晶器下方与二次水冷区的交界处,整个铸锭的温度梯度分布表现为从铸锭表面向铸锭中心逐渐降低。随着结晶器高度的增加,温度梯度依次递增;而随着拉速增大,温度梯度显著增加,交界处的最大值增加一倍。计算结果表明,在铸锭心部为拉伸应力,同时,在结晶器与二次水冷区的交界处也表现为拉应力,而在铸锭表层区域则表现为明显的压应力。拉伸应力最大的心部和交界处是热裂最容易产生的地方。底盘形状为上凸、平底、下凹时,铸锭中相应的应力依次增加,但增加幅度较小;应力随结晶器高度的增加而增加,且中心拉应力分布区域向下移动。而随着拉坯速度的增加,整个铸锭的应力显著增加,拉坯速度对应力的影响最大。