Das Ziel der vorliegenden Dissertation ist die numerische Simulation von Benetzung in turbulenter Scherströmung und bei komplexen geometrischen Verhältnissen. Zur Optimierung der Funktionalität und der Sicherheit industrieller Anwendungen wie z.B. im Druck, bei Beschichtungen oder bei Verschmutzungen am Fahrzeug soll die Bewegung von Tropfen und Rinnsalen in Scherströmung vollständig verstanden werden. Dabei müssen der Mehrphasen-Strömung, der dynamischen Drei-Phasen Kontaktlinie, der turbulenten Strömung und einer Vielzahl von Längen- und Zeitskalen bei der Modellierung und Diskretisierung so Rechnung getragen werden, dass auch komplexe Geometrien abgebildet werden können. Die hohe Sensitivität bezgl. der Prozesse auf kleinen Skalen auf die Tropfen und Rinnsalbewegung motiviert diese Arbeit, da in der großskaligen Anwendung eine detaillierte Beschreibung der kleinen Skalen notwendig wäre, aber nicht möglich ist. Um vereinfachende Modelle zu entwickeln, wurde in dieser Arbeit ein Strömungslöser implementiert, in dem alle notwendigen Modelle für eine detaillierte Beschreibung der vielfältigen physikalischen Effekte eingebunden sind.

In OpenFOAM wird die Mehrphasenströmung mithilfe der Volume of Fluid Methode beschrieben. An diese Methode wurde eine Reihe von Modellen für die Oberflächenspannung, die Kontaktliniendynamik und die Kontaktwinkel-Hysterese gekoppelt, mit experimentellen Daten validiert und die vielversprechendste Kombination ausgewählt. Diese Modelle bilden die Basis für eine akkurate Simulation der Benetzung. Hinsichtlich der Kompatibilität der Turbulenzmodelle mit der verwendeten Mehrphasenströmungsmethodik wurde ein Hybridmodell ausgewählt, welches dynamisch und lokal die Turbulenzmodellierung der günstigen aber ungenauen Reynolds Average Navier Stokes Methode und der teuren aber genauen Large Eddy Simulations Methode blendet. Um eine Vielzahl an zugrundeliegenden Längenskalen parallel und ressourcenschonend auflösen zu können, wurde die adaptive Gitterverfeinerung und dynamische Lastverteilung in OpenFOAM signifikant verbessert. Alle genannten Methoden sind so implementiert, dass eine Darstellung komplexer Geometrien mit Hilfe der unstrukturierten Gitterrepresentätion möglich ist.

Simulationen der Schlüsselszenarien von Tropfenaufprall und Tropfen- und Rinnsalbewegung am Auto werden im Rahmen dieser Arbeit mit wohl-definierten Experimenten verglichen. Tropfen- und Rinnsalbewegung auf geneigten Ebenen stimmen mit den Simulationen dieser Arbeit überein. Dabei werden die charakteristische Startbewegung der Tropfen, die Hinterkante bewegter Tropfen, sowie das Mäandern von Rinnsalen hervorragend getroffen. Auch in Scherströmung lässt sich die Startbewegung eines Tropfens vorhersagen, wobei die Ergebnisse der Experimente, Simulation und eines hier präsentierten theoretischen Modells sehr gut übereinstimmen. Die Interaktion der Tropfenbewegung in turbulenter Scherströmung mit komplexer Geometrie bestätigt in einer abschließenden Untersuchung die hervorragenden prädiktiven Eigenschaften der ausgewählten Modelle und Methoden.