基于金兹堡-郎道理论的相场法(Phase Field,PF)是目前凝固组织模拟中最有潜力的有效计算技术之一,不必跟踪固-液界面,还可方便地将流动等外场引入到相场控制方程中。格子Boltzmann方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)不但满足于计算多相流、还可以处理任意复杂边界,计算效率高、数值稳定性好、本质并行、易于处理任意复杂的边界问题等许多传统方法没有的独特优势。本文基于相场模型与计算动量、质量及能量传输的格子Boltzmann方法(LBM),耦合温度场、溶质场、流动场等外场建立PF-LBM模型,以纯物质和Al-4.5wt%Cu合金为例,开展多物理场过程耦合条件下的数值模拟,研究流动对二维纯物质凝固生长和Al-4.5wt%Cu二元合金凝固生长的影响,以及凝固生长对流动的影响。针对多场耦合相场模型模拟计算中面临的多尺度、传统的基于均匀网格的有限差分方法在单CPU上求解相场模型存在计算量大、计算效率低、限于定性研究等问题,研究了基于GPU的高性能计算方法,实现二维区域内求解相场模型算法的并行化,以扩大可模拟尺度,提高求解精度及计算效率。在CPU+GPU异构多节点集群平台上,采用Open CL并行计算的方法,对多场耦合的PF-LBM相场模型的数值模拟进行求解。为了验证Open CL并行计算方法在模拟流动作用下凝固生长的数值计算的可靠性和有效性,把Open CL并行计算方法求解PF-LBM相场模型的结果与CPU串行结果进行对比,相同条件下,相比基于CPU的模拟计算时间,Open CL并行计算方法的求解时间有大幅降低,计算效率明显提升,在模拟区域为1200×1200网格上,单GPU上Open CL并行计方法得到7.6倍的加速比。对强迫对流和自然对流时枝晶生长进行了模拟。模拟结果表明,强迫对流作用下,单枝晶生长过程中,受流场的影响呈非对称生长状态,流速越大,非对称生长越明显。多枝晶生长过程中,随着枝晶间距缩小,溶质浓度升高导致枝晶呈现非对称生长,流动作用逐渐变弱,枝晶臂出现互相压迫生长现象,枝晶呈现不规则形状。自然对流作用下,随着单枝晶生长,界面温度升高,流场逐渐被分割成四个漩涡小区域,流动作用改变了枝晶生长行为,促进迎流方向枝晶的生长,同时温度梯度的增加增大了自然对流流场的强度。