城市环境中地表灰尘演变的并行动力学蒙特卡洛仿真研究

地表灰尘污染对城市生态系统的破坏具有隐蔽性、潜在性和长期性的特征。研究地表灰尘演变机理，将为城市灰尘污染的灾害预警、污染预防、治理提供科学依据和途径。由于地表灰尘在城市环境系统中的演变受各种复杂因素的影响，建立精确的数学模型难度很大。通过采用虚拟仿真与可视化技术，建立虚拟城市环境和地表灰尘模型，将这两个模型作为地表灰尘演变模拟的初始化条件和先验知识；研究将动力学蒙特卡洛计算数学方法应用在地表灰尘的累积、扩散、迁移过程中，采用复杂网络理论中的社团发现算法，对大面积城市区域中的地表灰尘的动态演变进行并行仿真。结合上海大学校区的污染数据样本特征对地表灰尘演变的并行动力学蒙特卡洛模拟结果与真实监测数据进行比对，修正和完善数学模型。该项研究的开展，将为地表灰尘污染的分析、评价与决策提供数据支持，为城市地表灰尘污染研究探索一条新的道路，为城市建设和规划提供理论指导。

灰尘的演变机理研究是灰尘研究的一个重要方面，研究灰尘的演变机理，有助于对城市灰尘环境做出更为明确的科学评价，同时为城市灰尘污染的灾害预警、污染预防、治理提供科学依据和途径。鉴于地表灰尘研究具有重要的理论研究意义和实际应用价值，以上海大学延长校区为研究对象，对校园中的地表灰尘粒子演变进行了深入的研究：.（1）.研究校园中影响灰尘演变的主要因素。获得连续4个月上海大学校园内5个地表灰尘采集点的沉降量数据，并进行多元线性回归分析和单因素分析，得出了影响地表灰尘演变的主要因素为地点、风速和无雨期，且影响因子依次减小。由于校园建筑的影响，灰尘在每个地点的沉降量不同。在低风速的情况下，沉降在灰尘演变运动中起主要作用，当风速超越某个临界值时，扬起在灰尘的演变运动中起到了主要的作用。随着无雨期的增加，灰尘的沉降量逐渐增加； .（2）.通过CFD方法对虚拟校园风场模拟，得到虚拟校园模型中各处的风速精确值。采用SKETCHUP软件建立了三维虚拟校园模型，采用GAMBIT进行网格划分，通过FLUENT软件模拟计算出虚拟校园中的风场分布情况，并且通过Tecplot将模拟的风场数据导出； .（3）.提出了基于动力学蒙特卡洛算法的地表灰尘演变仿真模型。建立了基于蒙特卡洛算法的虚拟校园中灰尘粒子演变的扩散、沉降、扬起模型，并在仿真时输出5个采集点处的模拟灰尘沉降量。通过模拟灰尘沉降数据和采集数据进行对比分析显示，实验数据与仿真数据具有良好的一致性，验证了基于KMC算法的地表灰尘粒子演变模型的有效性；为了提高灰尘演变仿真的效率，提出了基于蒙特卡洛的地表灰尘演变并行仿真算法，实验结果证明该方法在保证仿真精度的同时，有效的提高了仿真的效率；.（4）.提出了地表灰尘演变的可视化仿真方法。以OpenGL为可视化仿真平台，采用粒子系统的思想，将地表灰尘近似看成是成千上万个运动的、不规则的、随机分布的粒子组成的粒子集。并将粒子系统的思想与地表灰尘KMC演变仿真模型相结合，给出了地表灰尘KMC演变可视化仿真的具体步骤，实现了地表灰尘演变的可视化仿真。