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Wind tunnel measurements of crown streamlining and drag relationships for several hardwood species

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Understanding tree susceptibility to wind damage is central to natural disturbance and succession studies. Susceptibility depends on the wind loads experienced by trees and their ability to resist these loads. In this study, we investigated the wind force or "drag" acting on the crowns of juvenile specimens of three hardwood species common to northwestern North America, black cottonwood (Populus trichocarpa Torr. & A. Gray), red alder (Alnus rubra Bong.), and paper birch (Betula papyrifera Marsh.). Ten freshly cut crowns of each species were exposed to wind speeds from 4 to 20 m/s in a wind tunnel. At 20 m/s, streamlining reduced the frontal area to 28% of its initial value for black cottonwood, 37% for red alder, and 20% for paper birch. Crown drag coefficients calculated using frontal area in still air varied with wind speed. At 20 m/s they ranged from 0.15 to 0.22 for these species. Drag was proportional to the product of mass and wind speed, and to the product of wind speed squared and wind-speed-specific frontal area. Removing branches by whole-branch pruning had little effect on drag per unit branch mass. To further investigate the effect of leaf size, we also used smaller samples of bigleaf maple (Acer macrophyllum Pursh) and trembling aspen (Populus tremuloides Michx.). Whole-crown drag coefficients did not vary systematically with leaf size, but drag per unit of crown mass increased with leaf size. Bigleaf maple had a higher drag per unit of crown mass than other species.

L'étude des perturbations naturelles et des successions exige une bonne compréhension de la susceptibilité des arbres aux dommages causés par le vent. Cette susceptibilité varie selon la charge appliquée sur l'arbre par le vent et la capacité de l'arbre à résister à cette charge. Dans cette étude, les auteurs ont examiné la force ou traînée exercée par le vent sur la cime de jeunes spécimens de trois espèces feuillues typiques du nord-ouest de l'Amérique du Nord : le peuplier de l'Ouest (Populus trichocarpa Torr. & A. Gray), l'aulne de l'Oregon (Alnus rubra Bong.) et le bouleau blanc (Betula papyrifera Marsh.). Dix cimes de chaque espèce fraîchement récoltées ont été soumises en soufflerie à des vents de 4 à 20 m/s. À 20 m/s, le profilage a réduit la surface frontale à 28 % de sa valeur initiale pour le peuplier de l'Ouest, à 37 % pour l'aulne de l'Oregon et à 20 % pour le bouleau blanc. Les coefficients de traînée calculés à partir de la surface frontale en air calme ont varié en fonction de la vitesse du vent. À 20 m/s, ils variaient de 0,15 à 0,22 pour ces espèces. La traînée était proportionnelle au produit de la masse et de la vitesse du vent, ainsi qu'au produit de la vitesse du vent au carré par la surface frontale ajustée à la vitesse du vent. L'enlèvement de branches par élagage a eu peu d'effet sur la traînée par unité de masse de branches. Afin d'étudier davantage l'effet de la dimension des feuilles, les auteurs ont aussi étudié des échantillons plus restreints d'érable à grandes feuilles (Acer macrophyllum Pursh) et de peuplier faux-tremble (Populus tremuloides Michx.). Les coefficients de traînée de la cime complète ne variaient pas systématiquement avec la dimension des feuilles, mais la traînée par unité de masse de cime augmentait avec la taille des feuilles. L'érable à grandes feuilles présentait une traînée par unité de masse de cime supérieure à celle des autres espèces.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: May 1, 2005

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