Dans cette partie nous nous attachons à présenter les différents résultats et les différentes approches mises en oeuvre pour appréhender l’influence de la végétation face aux écoulements aérauliques. Ce thème a fait l'objet d’un certain nombre de publications [Gandemer et al. 1981, Heisler 1989, Bottema 1992]. Cependant, il est à signaler que peu de données, concernant l’impact des arbres sur le vent dans un environnement urbain, sont disponibles dans la littérature.
Les relations entre la densité d’arbres, la morphologie des bâtiments et les réductions du vent ont été analysées par des mesures de la vitesse moyenne du vent à 2 m du sol dans le voisinage de maisons individuelles [Heisler 1989]. Dans cette étude, les maisons réduisent la vitesse du vent d’environ 24 %, les arbres, répartis de manière principalement dispersée, apportent une réduction supplémentaire de la vitesse de vent de 46 %. Même dans le voisinage, où la plupart des arbres sont à feuillage caduc, la diminution de la vitesse du vent par les arbres en hiver atteint en moyenne une valeur de 50 % à 90 % la valeur de la réduction en été. Dans le voisinage d’une maison individuelle avec 23 % de densité d’arbres la réduction de la vitesse par les arbres et les constructions est d’environ 38 % en hiver et 52 % en été, avec une réduction apparente due aux arbres de 14 % et 29% respectivement. Avec une densité d’arbres de 77 % la réduction totale est de 65 % et 70 % et la réduction imputée aux arbres est de 42 % et 46 %.
vent sur des bâtiments bas [Stathopoulos et al. 1994]. Les résultats montrent qu’une seule rangée, à forte densité, réduit les infiltrations d’air d’environ 60 %, quand les arbres sont plantés à une distance des bâtiments d’environ 4 fois leur hauteur. Les brise-vent composés de grands arbres offrent une protection double de celle des arbres d’une taille deux fois inférieure.
Le choix de la forme de l'arbre dépend de la région à protéger : une couronne en forme de cône augmente la protection sous l'arbre, une couronne ellipsoïdale augmente la protection à l'arrière de l'arbre [Bottema 1992]. Plus les arbres sont hauts, plus le nombre de rangées d'arbres doit être important afin d'apporter une protection. Cependant, nous pouvons noter que des arbres isolés peuvent engendrer une augmentation locale de la vitesse du vent [Gross 1987]. En effet, au lieu de réduire la vitesse du vent, on constate une augmentation des courants d'air à la base des arbres, sous la canopée, au niveau du tronc. Ceci est dû à une diminution de la surface effective, d’où création d’un effet venturi.
Dans les rues, les arbres sont souvent les seuls systèmes de réduction du vent. Une estimation indirecte de l'effet de protection des rangées d'arbres a été réalisée en soufflerie en comparant des données relatives à des districts urbains simplifiés obtenues par Alberts (1981) et une étude réalisée par Visser (1987) qui inclut des rangées d'arbres au niveau des rues. Dans une configuration où la hauteur de construction est uniforme, les réductions de vent estimées dues aux arbres sont de 25 % (± 5 %) pour un vent parallèle aux rues et de 20% (± 20 %) pour un vent en travers [Bottema 1992].
II.3.5.1-Porosité aéraulique :
La masse foliaire de la végétation représente une rugosité par rapport aux écoulements de l'air, et une partie du flux incident pénètre à l'intérieur du feuillage et se trouve filtré et amorti, diminuant sensiblement en aval les vitesses et les phénomènes tourbillonnaires. L'efficacité de l'effet brise-vent dépend de la porosité effective du feuillage, c'est-à-dire le rapport de surface des trous sur la surface totale de la masse foliaire pondéré par un coefficient de perte de charge. Il est intéressant de noter que cette porosité est variable suivant les saisons et les essences choisies. Ainsi, les feuilles de platane ont une porosité croissante avec la vitesse du vent alors
que les aiguilles de pins se plaquent les unes sur les autres et forment un écran plus dense [Izard et al. 1979].
Des informations supplémentaires nous sont apportées par des travaux du CSTB [Gandemer et al. 1981] qui introduisent une caractérisation aérodynamique de l'efficacité des écrans végétaux. La perméabilité est fonction de la vitesse du vent, de l'essence du végétal, de la forme et de l'épaisseur de la masse végétale et de la saison. Ainsi, ils ont pu dégager un certain nombre de paramètres importants comme les dimensions de « l'obstacle végétal », la « perméabilité visuelle » (pourcentage de vide visuel) et la forme globale. Des coefficients de porosité peuvent permettre une caractérisation aéraulique des arbres.
Il est possible en première approximation de considérer une correspondance entre la porosité aéraulique et la porosité visuelle (Tableau II.5). En effet, les haies dont le pourcentage de vide visuel est pratiquement nul (écran opaque) se comportent comme un écran mince artificiel de même dimension et de porosité géométrique égale à 0.2. Pour un vide visuel de l'ordre de 1/3, la protection est égale à celle d'un écran mince de porosité 0.5 alors que si la perméabilité visuelle est de 50 à 60 %, l'équivalent porosité géométrique est d'environ 0.7. Pour une perméabilité visuelle supérieure, la protection contre le vent n'existe plus.
Porosité visuelle Porosité géométrique équivalente
• 0 0.2
1/3 0.5
50 % à 60 % 0.7
> 60 % 1
Tableau II.5: Porosité visuelle et aéraulique (d’après [Gandemer et al. 1981])
II.3.5.2-Pertes de charge :
La notion de perte de charge (Cd pour drag coefficient en anglais) peut également être utilisée lorsque l’on cherche à modéliser la végétation. Les termes sources ou
dérivée de la perturbation de la pression locale moyenne suivant les différentes directions. On les obtient en multipliant un coefficient de frottement par la densité d’aire des feuilles à une hauteur donnée, par la vitesse moyenne du vent à la même hauteur et par la vitesse du vent selon une direction. Des termes sources correspondent à la production de l’énergie et à la dissipation de la turbulence au niveau de la végétation [Bruse et al. 1998].
La connaissance de la valeur du coefficient Cd pour un arbre ou une forêt réelle est sujette à de nombreuses incertitudes. Les valeurs expérimentales montrent que Cd augmente lorsque la vitesse du vent augmente à cause de la décroissance dans la section effective de la couronne due à l’alignement des feuilles et des branches dans le sens du courant. Ainsi, en condition de vent élevé, les valeurs des coefficients de traînée pour des arbres urbains varient de 0.2 (sans feuille) à 0.86 (en feuilles) [Roodbaraky et al. 1994]. De même, Fraser (1962) a exposé des conifères de taille adulte dans une soufflerie avec un vent de 15 m/s et a obtenu des valeurs de Cd qui varient de 0.57 pour l’épicéa à 0.25 pour le Tsuga (conifère) [Monteith et al. 1991].
En condition de vent normal, une valeur de Cd proche de 0.2 est généralement retenue dans de nombreuses études [Watanabe 1994, Liu et al. 1996]. Il est intéressant de remarquer que les résultats obtenus pour des valeurs de Cd de 0.5, 0.66 et 0.8 montrent une distribution virtuellement identique des contraintes turbulentes de cisaillement de Reynolds. Cependant, une valeur élevée de 3.3 entraîne de grandes différences, dues à une forte production d’énergie cinétique turbulente dans la région de cisaillement [Kobayashi et al. 1994].