Im Zuge des exponentiellen Wachstums der verfügbaren Rechenressourcen werden strömungsmechanische Fragestellungen in Wissenschaft und Industrie immer häufiger mit der Hilfe von computergestützten Berechnungsmethoden beantwortet. Das scherratenabhängige Bewegungsverhalten nicht‑Newtonscher Fluide ist dabei aufgrund ihrer Präsenz in nahezu allen Lebensbereichen nicht selten Gegenstand des Forschungsinteresses. Bei vielen Anwendungen spielt deren Interaktion mit Prozess- oder Umgebungsgasen eine wichtige Rolle. Je nach vorliegendem Strömungsszenario, muss im Rahmen der Modellierung auch die Kompressibilität dieser Gase berücksichtigt werden. Die Möglichkeiten, derartige Strömungsvorgänge mit Open Source Anwendungen kostengünstig abzubilden, sind jedoch derzeit noch stark limitiert. Infolgedessen beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung einer Software-Applikation zur numerischen Analyse kompressibler Mehrphasenströmungen mit nicht‑Newtonschen Fluiden.

Aufbauend auf den Gleichungslösern der frei zugänglichen Simulationsplattform OpenFOAM werden die zeitunabhängigen Viskositätsmodelle Power Law, Cross Power Law, Casson, Bird‑Carreau und Herschel‑Bulkley in die kompressible Mehrphasenbibliothek der Software implementiert. Diesbezüglich steht auch die benutzerfreundliche Eingabe der spezifischen Modellparameter sowie die automatisierte Ausgabe relevanter Kenngrößen im Fokus. Für alle fünf Ansätze erfolgt die Validierung des neuen Quellcodes anhand der Simulationsergebnisse einer Zweiphasenströmung über eine rückwärtsgewandte Stufe. Im Hinblick auf die gewählten Randbedingungen zeigen die Fluidpaarungen, bestehend aus Luft und einer charakteristischen Testflüssigkeit, physikalisch plausible Strömungsverläufe. Darüber hinaus belegt die Auswertung von jeweils 20 Stichproben die korrekte Adaption der theoretischen Formulierungen zur mathematischen Kopplung von Scherrate und Viskosität.

Die vorgestellten Algorithmen werden im Weiteren herangezogen, um das Potential eines Optimierungsansatzes aus dem Bereich der demontagefreien Reinigung von Anlagenkomponenten zu beurteilen. Für ein zweiphasiges, druckluftgesteuertes Impulsspülverfahren wird untersucht, ob sich in Anbetracht der komplexen Geometrie eines Plattenwärmeübertragers mit nicht‑Newtonschen Spülflüssigkeiten höhere Reinigungserfolge erzielen lassen als mit Leitungswasser. Zu diesem Zweck wird der hochdynamische Prozess auf Basis einer realen Strömungskavität modelliert und eine Studie mit fünf scherverdünnenden Xanthan-Wasser-Lösungen, zwei dilatanten Stoffen und dem Newtonschen Referenzfluid angestrengt. Abschließend folgt die Diskussion der beobachteten Strömungstopologien, wobei mittels der berechneten Wandschubspannungen die zu erwartende Reinigungsleistung sowie deren Homogenität im praxisbezogenen Kontext bewertet wird.