随着化工行业的快速发展以及化工园区的不断兴建，目前已然形成了“化工匪城”的局面，潜在发生的化工事故，正严重威胁着城市的环境与安全，形势相当严峻。然而，目前所使用的危化品泄漏扩散模型大多是基于实验数据拟合而得的经验模型或基于基本高斯模型的改进模型，其性能已难以满足当前越来越高的应用要求，如建筑物、树木等障碍物的影响、地形地貌的影响，甚至是城市热岛效应等，亟需更高级模型的出现。　　本文正是基于上述背景，同时结合中国科学院上海高等研究院与荷兰代尔夫特工业大学的资源条件，在国家留学基金委、中国科学院战略先导科技专项与国家重点研发计划等的资助下，重点针对复杂城市场景下的重气扩散过程展开研究。具体包括以下几个方面:1）基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD)原理进行重气扩散模型研究;2）根据Kit Fox重气场地实验数据，对所建立模型进行有效性验证;3）利用所建立模型进行实际城区配置下的案例仿真研究;4）针对模型计算时间需求过高的问题，进行基于并行计算的加速仿真方法研究;5）针对当前通用可视化软件普遍缺失地理信息的问题，进行基于Google Earth的流可视化方法研究;6）针对CFD模型目前尚不能满足应急响应场景实时性要求的问题，进行面向该场景下的重气扩散模型研究以实现对本文CFD模型的补充。本文获得的主要研究结果如下:　　1)建立了一个用于描述重气扩散的全三维CFD模型，该模型是在混合大涡模拟/雷诺平均模型的基础上，通过对动量守恒方程的密度项以及湍流动能与耗散方程的体积力项进行修正，从而实现了对由重气与周围空气间密度差产生的重力效应的支持。本文模型采用了统一化建模设计方法，此模型不仅仅适用于重气，还可用于中、轻性气体以及微颗粒污染物等。　　2)采用本文建立模型对Kit Fox实验进行了数值仿真，并将模型仿真结果与实验测量数据进行了比较分析，结果表明，本文模型结果非常接近实验测量数据，几何平均偏差(MG)与几何平均方差(VG)分别为1.31与1.09，FAC2.5与FAC5分别达到了90％与100％。　　3)成功实现了对实际城区配置下的重气扩散案例仿真研究，该部分工作的难点在于仿真区域比较大，达到了2km×2km;物理模型结构非常复杂，包含约850个建筑且这些建筑物形状、大小不一，分布也极为不规则。共生成约1亿个计算网格单元，执行了8000次数值迭代。整个仿真过程持续了约2.5个月，消耗了约45G物理内存。　　4)提出了一种新的域分解方法，该方法可保证子进程间的通信（或消息传递）始终保持在1D上进行，这样可使得程序的并行化实现与调试变得更加直观与易于实现。然后，基于该方法实现了对本文所用串行代码的并行化，并在集群hpc11上对其进行了多次测试。结果表明，对于测试所用案例，与原始串行代码相比并行后的代码可提升约16倍的计算速度。　　5)提出了一种基于Google Earth的流可视化方法，成功实现了所有常见的CFD仿真可视化算法，包括三维向量、流线、二维等值线与三维等值面等。与ParaView、Tecplot、vislt等通用CFD可视化软件相比，Google Earth内嵌的丰富的地理信息资源、操作工具以及基于KML文件的灵活的可视化机制，可使得本文方法能够提供更好的可视化效果与用户友好度。　　6)实现了对平板模型的横风向与上风向浓度分布的优化，并基于最大稳态影响距离的概念提出一种动态仿真方法。经与公开场地实验（Burro与Coyote）测量数据对比发现，改进后的平板模型可对重气浓度分布提供更准确的预测结果，从而为事故的应急救援工作提供更好的指导。