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Doctoral dissertation summarizes the research on the functioning and flow around a two-stage, shrouded wind turbine. Placing the turbine at the inlet of a diverging channel allows to increase the mass flow rate of the flow through the rotor. To better take advantage of the increase in wind speed at the diffuser inlet, it was decided to examine the possibility of placing a second rotor in this area, with the opposite direction of rotation.The conducted study combined several different research paths, including Computational Fluid Dynamics (CFD) methods and experimental studies. This allowed for a more refined understanding of the nature of the flow and operation of a wind turbine with two rotors. Experimental research was carried out in the IMP TUL wind tunnel. A series of measurements of various turbine systems with and without shroud, with single- and double-rotor wind turbine were made. The collected results allowed to confirm that the shrouding can significantly (even twice) increase the efficiency of the rotor. However, aerodynamic forces and rotational speed also increase. This disadvantage can be partially addressed by using a second rotor and distributing aerodynamic loads to two turbine stages.An important part of the study were numerical simulations. They allowed to specify in more detail the nature and parameters of the flow and to estimate their impact on the performance of the wind turbine. Two different numerical models were developed:• Fully-resolved Rotor Model: URANS model in ANSYS CFX, based on discretising the entire geometry of the rotor, used for the flow analysis,• Hybrid model CFD-BET (Blade-Element Theory): RANS model in ANSYS Fluent, in which the rotor is represented by source terms in the Navier-Stokes equations, determined by an in-house code; the model was used to evaluate the performance of different wind turbine configurations.In the course of the research an in-house, empirical tip loss correction was proposed, taking into account the influence of the diffuser. The performed study permitted to observe, among others, that moving the rear rotor towards the outlet of the diffuser may result in a reduction of the wind speed through the front rotor, placed at the inlet to the diffuser, and a decrease in the overall system power.; La thèse résume la recherche sur le fonctionnement et l’écoulement autour d’une éolienne caréné à deux rotors. Le placement d’une turbine à l’entrée d’un canal divergent permet d’augmenter le débit massique à travers le rotor. Afin de mieux tirer parti de l’augmentation de la vitesse du vent à l’entrée du diffuseur, il a été décidé d’examiner la possibilité de placer un deuxième rotor, tournant dans le sens opposé, dans cette zone.L'étude menée combinait plusieurs voies de recherche différentes, y compris les méthodes de la mécanique des fluides numérique (CFD) et des études expérimentales. Cela a permis de mieux comprendre la nature de l'écoulement et du fonctionnement d'une éolienne à deux rotors. Des recherches expérimentales ont été menées dans la soufflerie de l’Institut de Turbomachinerie de l’Ecole Polytechnique de Lodz (Pologne). Une série de mesures de systèmes d'éoliennes divers, avec et sans carénage, à un et deux rotors, a été réalisée. Les résultats recueillis ont permis de confirmer que le carénage pouvait augmenter considérablement (même deux fois) l'efficacité du rotor. Cependant, les forces aérodynamiques et la vitesse de rotation augmentent également. Cet inconvénient peut être partiellement résolu en utilisant un deuxième rotor et en répartissant les charges aérodynamiques sur deux étages de turbine.Une partie importante de l'étude était les simulations numériques. Ils ont permis de préciser la nature et les paramètres de l'écoulement et d'estimer leur impact sur les performances de l'éolienne. Deux modèles numériques différents ont été développés:• Modèle rotor complet (anglais : Fully-resolved Rotor Model, FRM): modèle URANS dans ANSYS CFX, basé sur la discrétisation de la géométrie complète du rotor; ce modèle a été utilisé pour l'analyse de l’écoulement,• Modèle hybride CFD-BET (théorie de l’élément de pâle): modèle RANS dans ANSYS Fluent, dans lequel le rotor est représenté par les termes source dans les équations de Navier-Stokes, déterminés par un code interne; ce modèle a été utilisé pour évaluer les performances de différentes configurations d'éoliennes.Au cours de la recherche, une correction empirique interne de la perte d’extrémité de la pâle (anglais : tip loss correction) a été proposée, en tenant compte de l’influence du diffuseur. L’étude réalisée a permis d’observer, entre autres, que le déplacement du rotor en aval vers la sortie du diffuseur pouvait entraîner une réduction de la vitesse du vent à travers le rotor en amont, placé à l’entrée du diffuseur, et une diminution de la puissance globale du système.

The authors present a decision path which allowed them to design successfully a small diffuser augmented wind turbine (DAWT). Multiple methods were applied to design and verify the construction, ranging from an application of simple analytical methods through complex numerical simulations, to finish with the experimental tests of models in different scales. An influence of the turbine duct (diffuser) made it impossible to use standard methods of turbine design and forced one to combine analytical methods with CFD predictions of the flow. A set of different numerical models was used, ranging from the 2D CFDADM up to 3D FRM, which took the most important elements of the final construction into account. Those simulations provided data on aerodynamic loads, further used to verify the design with analytical methods. Some trials of the load analysis employing the FSI were carried out. They proved to be useful for the design load analysis. However, significant requirements of computer resources for simulations of the complex turbine model as well as high deformations of polyamide blades limited the practical application of that method within the project so far. Nevertheless, continuous progress in the computer performance and numerical methods, combining the fluid flow and structural solvers, should provide tools for detailed design analysis in the near future. At the same time, the Fourier transform analysis can be performed on the rotor power signal to provide the fault tolerance and to increase the turbine load factor. Combined with the high frequency measurement of wind velocity, a link between dangerous loading due to environmental conditions and the resulting rotor power fluctuations can be established early enough. In this case, a potential fault could be avoided, thus keeping the turbine uptime to its maximum.

Doctoral dissertation summarizes the research on the functioning and flow around a two-stage, shrouded wind turbine. Placing the turbine at the inlet of a diverging channel allows to increase the mass flow rate of the flow through the rotor. To better take advantage of the increase in wind speed at the diffuser inlet, it was decided to examine the possibility of placing a second rotor in this area, with the opposite direction of rotation.The conducted study combined several different research paths, including Computational Fluid Dynamics (CFD) methods and experimental studies. This allowed for a more refined understanding of the nature of the flow and operation of a wind turbine with two rotors. Experimental research was carried out in the IMP TUL wind tunnel. A series of measurements of various turbine systems with and without shroud, with single- and double-rotor wind turbine were made. The collected results allowed to confirm that the shrouding can significantly (even twice) increase the efficiency of the rotor. However, aerodynamic forces and rotational speed also increase. This disadvantage can be partially addressed by using a second rotor and distributing aerodynamic loads to two turbine stages.An important part of the study were numerical simulations. They allowed to specify in more detail the nature and parameters of the flow and to estimate their impact on the performance of the wind turbine. Two different numerical models were developed:• Fully-resolved Rotor Model: URANS model in ANSYS CFX, based on discretising the entire geometry of the rotor, used for the flow analysis,• Hybrid model CFD-BET (Blade-Element Theory): RANS model in ANSYS Fluent, in which the rotor is represented by source terms in the Navier-Stokes equations, determined by an in-house code; the model was used to evaluate the performance of different wind turbine configurations.In the course of the research an in-house, empirical tip loss correction was proposed, taking into account the influence of the diffuser. The performed study permitted to observe, among others, that moving the rear rotor towards the outlet of the diffuser may result in a reduction of the wind speed through the front rotor, placed at the inlet to the diffuser, and a decrease in the overall system power., La thèse résume la recherche sur le fonctionnement et l’écoulement autour d’une éolienne caréné à deux rotors. Le placement d’une turbine à l’entrée d’un canal divergent permet d’augmenter le débit massique à travers le rotor. Afin de mieux tirer parti de l’augmentation de la vitesse du vent à l’entrée du diffuseur, il a été décidé d’examiner la possibilité de placer un deuxième rotor, tournant dans le sens opposé, dans cette zone.L'étude menée combinait plusieurs voies de recherche différentes, y compris les méthodes de la mécanique des fluides numérique (CFD) et des études expérimentales. Cela a permis de mieux comprendre la nature de l'écoulement et du fonctionnement d'une éolienne à deux rotors. Des recherches expérimentales ont été menées dans la soufflerie de l’Institut de Turbomachinerie de l’Ecole Polytechnique de Lodz (Pologne). Une série de mesures de systèmes d'éoliennes divers, avec et sans carénage, à un et deux rotors, a été réalisée. Les résultats recueillis ont permis de confirmer que le carénage pouvait augmenter considérablement (même deux fois) l'efficacité du rotor. Cependant, les forces aérodynamiques et la vitesse de rotation augmentent également. Cet inconvénient peut être partiellement résolu en utilisant un deuxième rotor et en répartissant les charges aérodynamiques sur deux étages de turbine.Une partie importante de l'étude était les simulations numériques. Ils ont permis de préciser la nature et les paramètres de l'écoulement et d'estimer leur impact sur les performances de l'éolienne. Deux modèles numériques différents ont été développés:• Modèle rotor complet (anglais : Fully-resolved Rotor Model, FRM): modèle URANS dans ANSYS CFX, basé sur la discrétisation de la géométrie complète du rotor; ce modèle a été utilisé pour l'analyse de l’écoulement,• Modèle hybride CFD-BET (théorie de l’élément de pâle): modèle RANS dans ANSYS Fluent, dans lequel le rotor est représenté par les termes source dans les équations de Navier-Stokes, déterminés par un code interne; ce modèle a été utilisé pour évaluer les performances de différentes configurations d'éoliennes.Au cours de la recherche, une correction empirique interne de la perte d’extrémité de la pâle (anglais : tip loss correction) a été proposée, en tenant compte de l’influence du diffuseur. L’étude réalisée a permis d’observer, entre autres, que le déplacement du rotor en aval vers la sortie du diffuseur pouvait entraîner une réduction de la vitesse du vent à travers le rotor en amont, placé à l’entrée du diffuseur, et une diminution de la puissance globale du système.

The paper discusses results of examination of various wind turbine rotor models implemented in numerical simulations, with particular emphasis on the interaction of a rotor with the surrounding airflow. The study concerns a wind turbine placed at the inlet of a divergent duct, a solution known as Diffuser-Augmented Wind Turbine. This type of wind energy converter has recently been an object of numerous studies at the Institute of Turbomachinery of Lodz University of Technology. The study focuses on the search of wind turbine evaluation method combining high accuracy and tolerable time-to-results factor. The examined models include: FRM (Fully-resolved Rotor Model), ADM (Actuator Disk Model) and authors' modified approach to ALM (Actuator Line Model). The study covers: the implementation of the above mentioned method(s) into a commercial solver ANSYS CFX 15.0, the comparison of the obtained results with available experimental data, the analysis of the results obtained from simulations and the discussion. The paper is characterised by the wide spectrum of actuator models compared with 3D accurate rotor modelling for the estimation of turbine performance, the authors' proposal of the ALM variant, and the comparison of the models also from the viewpoint of the numerical effort (computation time and resources necessary) they require.