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Oct 25, 2023

Les trous d'aération dans les bannières font-ils une différence ? Nous avons utilisé une soufflerie pour découvrir

Maître de conférences en génie civil, Université du Queensland

Maître de conférences en génie civil, Université du Queensland

Professeur de robotique, Queensland University of Technology

Matthew Mason reçoit des fonds de l'Australian Research Council et du Bushfire and Natural Hazards Cooperative Research Centre.

Jonathan Roberts est chercheur associé au Centre australien de vision robotique et cofondateur de la compétition de robots volants UAV Challenge.

L'Université de technologie du Queensland et l'Université du Queensland fournissent un financement en tant que membres de The Conversation AU.

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La prochaine fois que vous verrez une banderole accrochée en travers d'une rue ou d'un pont, ou hissée dans le cadre d'une marche de rue, d'une manifestation ou d'une manifestation, regardez de plus près. Vous pouvez voir que la bannière comporte des trous ou des fentes.

Mais pourquoi quelqu'un ferait-il des trous dans une bannière parfaitement bonne ?

Ce sont ce qu'on appelle des "évents de vent", et pour une raison quelconque, les gens ont mutilé leurs bannières avec ces trous dans la conviction que leur présence réduira considérablement la charge de vent sur la bannière.

Mais une bannière avec des trous ou des fentes a-t-elle vraiment plus de facilité au vent qu'une bannière équivalente sans trou ?

On ne sait pas quand les gens ont commencé à faire des trous dans leurs bannières. Il y a très peu d'écrits sur la pratique, et une grande partie des connaissances semble provenir du bouche à oreille ou a été transférée d'autres domaines liés au vent.

Ce qui ressort clairement des sites Web des fabricants d'enseignes et de bannières du monde entier, c'est qu'ils sont frustrés d'avoir à percer des trous dans leurs créations faites avec amour.

Certains fabricants de bannières refusent tout simplement et disent à leurs clients que s'ils veulent des trous, ils peuvent les couper eux-mêmes.

L'importance apparente des évents pour bannières a conduit certains gouvernements locaux du monde entier à les rendre obligatoires pour les bannières installées à certains endroits. Pas de trous d'aération, pas de bannière autorisée !

Les règlements du conseil municipal de Brisbane, dans le Queensland, en Australie, stipulent que pour que des bannières soient installées sur l'emblématique Story Bridge de la ville, elles "doivent être munies de trous d'aération" et que "les trous de vent (évents) doivent être espacés à intervalles d'environ 3 m".

La petite ville de Springville, Utah, USA, stipule dans son règlement qu'au moins 20% de la surface de la bannière doit être constituée de trous. Il suggère "des évents en forme de demi-lune de 4 à 6 pouces de large et orientés vers le bas sur toute la bannière".

Pour comprendre ce que les évents font, le cas échéant, pour nos bannières, nous devons visiter le travail des spécialistes en aérodynamique.

En 1956, BG de Bray, un expert en aérodynamique au Royal Aircraft Establishment du Royaume-Uni, a effectué une série d'essais en soufflerie pour montrer comment des plaques plates percées se comportaient dans un flux d'air en mouvement. Il s'intéressait à la manière dont les plaques pouvaient être utilisées pour les aérofreins des avions lors de leur atterrissage.

Ses expériences ont montré que les perforations (trous) rendent le flux d'air plus stable mais qu'il n'y avait "qu'une réduction relativement faible du coefficient de traînée". Il montre un graphique enregistrant la relation entre la surface des trous et la variation du coefficient de traînée d'une plaque plate. Le graphique indique que faire des trous sur 20 % de la surface d'une bannière réduira la traînée d'environ 5 % dans un vent de 150 km/h.

Lorsque nous considérons l'autre découverte de de Bray - que les trous rendent le flux d'air plus stable - nous pouvons regarder un exemple courant de cela en action dans les parachutes ronds.

Les structures gonflées qui se remplissent d'air du côté au vent, comme les parachutes ronds, deviennent instables lorsqu'il n'y a pas de trous dans la structure. L'air a tendance à se répandre presque au hasard depuis le bord de la structure. Cela fait que la structure s'agite au vent d'une manière apparemment aléatoire.

Cela a été découvert au tout début du développement du parachute. À la fin des années 1700, un certain nombre de développeurs de parachutes ont été tués en raison d'accidents liés à leurs goulottes instables et oscillantes.

En 1804, le Français Joseph Lelandes a inventé l'évent d'apex, un trou dans le haut du parachute. Cela semblait résoudre le problème de stabilité mais ne semblait pas réduire la traînée, idéal pour le parachutisme où vous avez besoin de traînée.

Depuis lors, de nombreuses études ont montré les avantages des trous dans les parachutes ronds. Un groupe a même découvert au cours de leurs expériences que les trous d'aération dans les parachutes ronds augmentaient légèrement la traînée sur le parachute tout en le rendant plus stable.

Suivant les traces de de Bray, nous avons décidé de nous tourner vers des expériences en soufflerie pour évaluer l'impact de ces trous sur les forces du vent.

Nous avons mené une série d'expériences simples où nous avons placé des versions à l'échelle de bannières dans une soufflerie et mesuré les forces du vent. Nous l'avons fait pour une gamme de vitesses de vent et de nombre d'évents (trous). Nous avons ensuite mesuré l'évolution des forces d'un essai à l'autre.

Nous avons réalisé des expériences où les évents étaient des trous rectangulaires découpés dans le tissu et d'autres où les évents étaient des trous rectangulaires découpés sur trois côtés et autorisés à s'articuler en haut (volets).

Les vitesses de vent expérimentales testées variaient d'environ 25 km/h à 100 km/h et la plage de rapports entre la surface du trou d'évent et la surface totale de la bannière (porosité) évaluée allait de zéro (pas de trous dans la bannière) à environ 20 %, ce qui coïncide avec le Springville règlements et fait une jolie bannière sacrée.

Une valeur de 1 dans la figure (ci-dessus) indiquerait que les évents n'ont rien fait et une valeur de 0,9 suggérerait qu'il y a eu une réduction de 10 % de la charge.

Il est clair que les évents réduisent la charge du vent sur une bannière, mais comme de Bray l'a montré, la réduction de la charge est relativement faible jusqu'à ce que la porosité devienne importante.

La réduction de la force de traînée est plus importante pour les trous et les volets articulés que celle trouvée par de Bray (et d'autres) pour des plaques ou des tissus uniformément perforés.

La vitesse du vent fait une différence. À faible vitesse de vent, la présence d'évents peut en fait augmenter la charge de vent sur une bannière, qui, dans notre test, s'est avérée être jusqu'à 5 %.

En général cependant, les coefficients de force diminuent à mesure que la vitesse du vent augmente. C'était notamment le cas pour les bannières à rabats, où ces évents s'ouvraient à mesure que la vitesse du vent augmentait.

Le type d'évent fait donc une grande différence. Les bannières avec des trous plutôt que des rabats à charnières ont subi des charges de vent plus faibles. Ces deux types d'évent subissent des charges inférieures à celles des plaques uniformément perforées, qui fonctionnent de la même manière que les tissus à mailles poreuses.

Avec ces points à l'esprit, nous revenons aux règlements du conseil municipal de Brisbane pour placer des bannières sur le pont à étages. Il est maintenant possible de calculer l'effet de leurs évents prescrits.

Si nous supposons qu'ils aimeraient des trous et que la taille maximale d'une bannière est de 18 m de large sur 0,9 m de haut, alors notre meilleure estimation est un rayon de trou semi-circulaire de 25 cm, notant également que cinq trous de vent sont nécessaires. Nous calculons qu'au maximum, 3% de la bannière sera trouée.

En interpolant notre chiffre, cela nous donnerait une réduction de 2% de la charge du vent. Un panneau de 98 % de la zone maximale serait de 18 m de large et de 0,88 m de haut et ne vous obligerait qu'à couper 2 cm du bas du panneau pour créer un panneau de traînée équivalente à celui avec cinq trous ! Cela ne semble guère en valoir la peine.

La science nous montre que les structures plates se comportent d'une manière et que les structures gonflées remplies d'air se comportent d'une manière différente. Il semble que nos législateurs aient été confus et aient appliqué les résultats des parachutes aux bannières plates.

Si vous avez une bannière attachée de telle manière qu'elle reste relativement plate au vent, il semble que les avantages de l'installation d'évents soient minimes à moins que vous ne transformiez votre bannière en fromage suisse.

Il est tout simplement préférable de créer une bannière légèrement petite pour obtenir la même réduction de charge.