5.3 porosité et les coefficients de résistance des barrières artificielles et des haies brise-vent
L’efficacité d’une haie brise-vent à réduire la vitesse du vent dépend de la structure interne et de la forme de la haie. Autrefois, la porosité (F) était utilisée pour décrire la structure interne de la haie brise-vent, laquelle est le ratio entre les trouées et la surface totale de la haie. On se servait de la porosité optique ou visuelle (deux dimensions, soit selon la hauteur et la largeur) et de la porosité effective (trois dimensions, en ajoutant la profondeur) pour décrire la structure interne de la haie. Les haies brise-vent respectent les mêmes lois de physique que tout objet : moins la porosité d’un objet est grande, plus il y a résistance de l’air en mouvement, ce qui engendre une perte de pression (figure 1). Ce phénomène fut étudié abondamment sur toutes sortes d’objets dans des tunnels à vent. Cette recherche se poursuit aujourd’hui dans le but d’augmenter l’aérodynamisme des objets (ex. avions, automobiles, vélos de course).
Figure 1. Perte de pression de l’air (Kr) selon le niveau de résistance (exprimé par la porosité, F) de treillis métalliques mesurée dans un tunnel à vent. Plus le Kr est élevé, plus la perte de pression est grande. Une porosité de 0 indique une fermeture complète, alors qu’une porosité de 1 indique une ouverture complète.
Source : Adapté de Heisler et DeWalle (1988).
Des études similaires à celles sur les treillis métalliques dans les tunnels à vent ont été menées sur des sections d’arbres, lesquelles ont aussi été insérées dans des tunnels à vent. Par exemple, on a voulu mesurer la résistance par pied linéaire induite par des branches de huit espèces d’arbres (Grunert et al., 1984). Les branches de Acer campestre occasionnaient le plus de résistance, alors que celles d’un cultivar de peuplier occasionnaient le moins de résistance (environ le tiers de l’Acer campestre). On s’est également aperçu que la résistance était moins grande en l’absence de feuilles sur les branches et que la résistance diminuait pour toutes les espèces quand les vents étaient plus forts.
La porosité d’un objet est autant corrélée à la résistance de l’air qu’exerce un objet (perte de pression, figure 1) qu’à la diminution de la vitesse du vent (figure 2). Toutefois, les relations sont inversées – elle est positive en ce qui concerne la diminution de la vitesse du vent et négative en ce qui concerne la perte de pression.
Figure 2. Diminution de la vitesse du vent (Um/Uo) selon le niveau de résistance de différentes barrières artificielles (exprimé par la porosité,F) mesurées dans un tunnel à vent. Un Um/Uo de 0 suggère un blocage complet du vent et une valeur de 1 suggère qu’il n’y a aucun blocage du vent. Une porosité de 0 indique une fermeture complète, alors qu’une porosité de 1 indique une ouverture complète.
Source : Adapté de Heisler et DeWalle (1988).
Les chercheurs peuvent facilement évaluer la porosité optique d’une haie brise-vent par photogrammétrie. Une photo frontale d’une haie brise-vent peut être facilement travaillée par ordinateur pour mesurer le nombre de pixels correspondant à des trouées et en divisant ce chiffre par le nombre de pixels totaux, ce qui correspond à la porosité optique. Cette approche est utile pour évaluer l’efficacité que peuvent avoir des haies à une seule rangée d’arbres à diminuer la vitesse du vent (figure 3). On peut voir à la figure 3 qu’une haie brise-vent d’une porosité optique de moins de 0,1 peut diminuer les vents d’au moins 80 % (ou un Um/Uo de 0,2 ou moins). À l’opposé, une haie brise-vent d’une porosité optique de moins de 0,6-0,7 peut diminuer les vents d’environ 30 % (ou un Um/Uo de 0,7).
Figure 3. Diminution de la vitesse du vent (Um/Uo) selon le niveau de résistance de différentes haies brise-vent à une seule rangée d’arbres (exprimé par la porosité optique, F). Un Um/Uo de 0 suggère un blocage complet du vent et une valeur de 1 suggère qu’il n’y a aucun blocage du vent. Une porosité de 0 indique une fermeture complète, alors qu’une porosité de 1 indique une ouverture complète.
Source : Adapté de Heisler et DeWalle (1988).
Toutefois, l’efficacité d’une haie brise-vent n’est pas uniquement fonction de sa porosité. Pour réduire de façon significative les vents à la surface du sol sur une plus longue distance derrière la haie (ex. 15 à 20 fois la hauteur de la haie), des haies très denses sont apparemment moins efficaces que des haies caractérisées par des porosités moyennes (figure 4). En effet, la figure 4 suggère que la réduction des vents à proximité du sol (z/h de ¼ et ½, où h est la hauteur de la haie et z est la hauteur à laquelle la vitesse du vent est mesurée derrière la haie) derrière la haie brise-vent est plus grande à une distance de 10 à 20 fois la hauteur de la haie pour une haie d’une porosité de 0,45 à 0,55 que pour une haie d’une porosité de 0,15 à 0,25 à hauteur égale.
Figure 4. Patron de diminution de la vitesse du vent (Um/Uo) à différentes hauteurs par rapport au sol (z/h) derrière deux haies brise-vent (x/h) à hauteur égale, mais de deux niveaux de résistance (exprimé par la porosité optique, F). Un Um/Uo de 0 suggère un blocage complet du vent et une valeur de 1 suggère qu’il n’y a aucun blocage du vent. Une porosité de 0 indique une fermeture complète, alors qu’une porosité de 1 indique une ouverture complète. Enfin, les valeurs x, z et h sont respectivement la distance derrière la haie, la hauteur à laquelle la vitesse du vent est mesurée par rapport à la surface du sol et la hauteur de la haie brise-vent. Un ratio z/h de ½ peut donc signifier un mesurage de la vitesse du vent à 4 mètres au-dessus du sol et une haie de 8 mètres de hauteur, alors qu’un ratio x/h de 20 peut signifier un mesurage de la vitesse du vent à une distance de 200 mètres derrière la haie et une haie de 10 mètres de hauteur.
Source : Adapté de Heisler et DeWalle (1988).