Fluids consisting of dispersed spherical and non-spherical particles are commonly found in many natural and industrial processes. The intricate interplay between particle-particle and particle-fluid interactions, along with flow dynamics and geometries, leads to complex flow phenomena, which still needs to be better understood. Accurate modelling of such flows are crucial for predicting and optimizing processes occurring in, for example, paper industry and wastewater treatment. Both experimental and numerical approaches have been utilized to obtain the flow information, each offering distinct insights. However, a major challenge lies in developing and validating numerical models due to limited or non-existent experimental data. Capturing and measuring these complex flows experimentally is difficult, due to limited optical access, high solid concentrations and often, the measurement probes can affect the flow. On the other hand, numerical simulations can capture these intricate interactions, however, they rely on assumptions and are constrained by high computational expenses.

For high solid concentrations of particles, magnetic resonance velocimetry (MRV) has emerged as a successful non-invasive experimental technique capable of capturing the flow phenomena. Nonetheless, the existing MRV protocols contains questionable assumptions and is dependent on specific parameters for measurements. This thesis addresses these challenges by investigating and characterizing turbulent flows of non-Newtonian fluids through combined MRV measurements and computational fluid dynamics (CFD) simulations. The work also demonstrates how robust quantitative comparisons between MRV measurements and CFD simulations can be achieved, paving the way for development of accurate, calibrated flow models and highlighting the need for size-dependent rheological models in particle-laden turbulent pipe flows. 

The findings of this work contribute to a deeper understanding of complex flows, offering a pathway for improved predictive models that can be applied in various industrial and environmental contexts. The research also highlights the potential of MRV to overcome traditional experimental limitations and underscores the importance of integrating experiments and numerical simulations to advance the study of non-Newtonian and complex fluid flows.

Fluider beståendes av sfäriska och icke-sfäriska partiklar förekommer ofta i många naturliga och industriella processer. Det intrikata samspelet mellan partikel-partikel- och partikel-fluidinteraktioner, tillsammans med strömnings-dynamik och geometriska variationer, leder till komplexa flödesfenomen som fortfarande behöver förstås bättre. Noggrann modellering av sådana flöden är avgörande för att kunna förutsäga och optimera processer exempelvis inom pappersindustrin och rening av avloppsvatten. Både experimentella och numeriska tillvägagångssätt har använts för att få fram information om flödet, där varje metod ger unika insikter. Dock finns en stor utmaning i att utveckla och validera numeriska modeller på grund av begränsade eller obefintliga experimentella data. Att fånga och mäta dessa komplexa flöden experimentellt är svårt på grund av begränsad optisk tillgång, höga partikelfraktioner och möjlig påverkan från mätproberna på flödet. Å andra sidan kan numeriska simuleringar fånga dessa intrikata interaktioner, men de är beroende av antaganden och begränsas av höga beräkningskostnader.

För höga partikelfraktioner har magnetresonansvelocimetri (MRV) blivit en framgångsrik icke-invasiv experimentell teknik som kan fånga dessa flödesfenomen. Trots detta innehåller de nuvarande MRV-protokollen antaganden som kan ifrågasättas och är dessutom beroende av specifika parametrar för mätningarna. Denna avhandling tar itu med dessa utmaningar genom att undersöka och karakterisera turbulenta flöden av icke-Newtonska vätskor genom kombinerade MRV-mätningar och numeriska simuleringar av flödesdynamik (CFD). Arbetet visar även hur robusta kvantitativa jämförelser mellan MRV-mätningar och CFD-simuleringar kan uppnås, vilket banar väg för utveckling av exakta och kalibrerade flödesmodeller samt betonar behovet av storleksberoende reologiska modeller i partikelbelastade turbulenta rörflöden.

Resultaten av detta arbete bidrar till en djupare förståelse för komplexa flöden och erbjuder en väg mot förbättrade prediktiva modeller som kan tillämpas i olika industriella och miljömässiga sammanhang. Forskningen lyfter också fram potentialen hos MRV för att övervinna traditionella experimentella begränsningar och understryker vikten av att integrera experiment och numeriska simuleringar för att främja studiet av icke-Newtonska och komplexa vätskeflöden.