Les files d'attente fluides sont des processus markoviens à deux dimensions, où la première composante, appelée le niveau, représente le contenu d'un réservoir et prend des valeurs continues, et la deuxième composante, appelée la phase, est l'état d'un processus markovien dont l'évolution contrôle celle du niveau. Le niveau de la file fluide varie linéairement avec un taux qui dépend de la phase et qui peut prendre n'importe quelle valeur réelle. Dans cette thèse, nous explorons le lien entre les files fluides et les processus QBD, et nous appliquons des arguments utilisés en théorie des processus de renouvellement pour obtenir la distribution stationnaire de plusieurs modèles fluides. Nous commençons par l'étude d'une file fluide avec un réservoir de taille infinie; nous déterminons sa distribution stationnaire, et nous présentons un algorithme permettant de calculer cette distribution de manière très efficace. Nous observons que la distribution stationnaire de la file fluide de capacité infinie est très semblable à celle d'un processus QBD avec une infinité de niveaux. Nous poursuivons la recherche des similarités entre les files fluides et les processus QBD, et nous étudions ensuite la distribution stationnaire d'une file fluide de capacité finie. Nous montrons que l'algorithme valable pour le cas du réservoir infini permet de calculer toutes les quantités importantes du modèle avec un réservoir fini. Nous considérons ensuite des modèles fluides plus complexes, de capacité finie ou infinie, où le comportement du processus markovien des phases peut changer lorsque le niveau du réservoir atteint certaines valeurs seuils. Nous montrons que les méthodes développées pour des modèles classiques s'étendent de manière naturelle à ces modèles plus complexes. Pour terminer, nous étudions les conditions nécessaires et suffisantes qui mènent à l'indépendance du niveau et de la phase d'une file fluide de capacité infinie en régime stationnaire. Ces résultats s'appuient sur des résultats semblables concernant des processus QBD. Markov modulated fluid queues are two-dimensional Markov processes, of which the first component, called the level, represents the content of a buffer or reservoir and takes real values; the second component, called the phase, is the state of a Markov process which controls the evolution of the level in the following manner: the level varies linearly at a rate which depends on the phase and which can take any real value. In this thesis, we explore the link between fluid queues and Quasi Birth-and-Death (QBD) processes, and we apply Markov renewal techniques in order to derive the stationary distribution of various fluid models. To begin with, we study a fluid queue with an infinite capacity buffer; we determine its stationary distribution and we present an algorithm which performs very efficiently in the determination of this distribution. We observe that the equilibrium distribution of the fluid queue is very similar to that of a QBD process with infinitely many levels. We further exploit the similarity between the two processes, and we determine the stationary distribution of a finite capacity fluid queue. We show that the algorithm available in the infinite case allows for the computation of all the important quantities entering in the expression of this distribution. We then consider more complex models, of either finite or infinite capacities, in which the behaviour ff the phase process may change whenever the buffer is empty or full, or when it reaches certain thresholds. We show that the techniques that we develop for the simpler models can be extended quite naturally in this context. Finally, we study the necessary and sufficient conditions that lead to the independence between the level and the phase of an infinite capacity fluid queue in the stationary regime. These results are based on similar developments for QBD processes.

La méthode du Pincement a été développée et utilisée dans le secteur de la pétrochimie. Le nombre de flux y est important et la consommation énergétique est un critère décisionnel fort. D'autres secteurs énergivores tels la métallurgie, la production de papier et de pâte à papier ou l'industrie agroalimentaire peuvent bénéficier de cette approche structurée. Par ailleurs, l'intégration d'utilités thermodynamiques complexes comme les pompes à chaleur ou les unités de cogénération peut réduire significativement la consommation d'énergie d'un procédé, sans avoir à en modifier la technologie.Un algorithme de conception d'un réseau d'échangeurs à partir de flux thermiques à été choisi dans la littérature, puis deux fonctionnalités lui ont été ajoutées : la différenciation des technologies d'échangeur et la prise en compte de flux "disponibilités" à température de sortie variable. Un module de présélection a été développé pour proposer et dimensionner des utilités thermodynamiques à partir de la grande courbe composite et d'un critère exergétique. Il est utilisé en amont de la conception du réseau d'échangeurs.Ces deux algorithmes ont été intégrés dans un logiciel dédié à l'intégration énergétique de procédés à partir des flux thermiques des opérations unitaires. Plusieurs validations ont été faites sur des cas théoriques de référence issus de la littérature ainsi que sur des cas industriels réels nécessitant la modélisation des procédés. L'enchainement des deux algorithmes débouche sur l'obtention de résultats concrets et technologiquement réalistes. L'amélioration apportée par les solutions est calculable à chaque étape. / The pinch analysis has been developed and exploited in the petrochemical sector. There are numerous heat fluxes and energy consumption is a strong decision criterion. Other energy-intensive sectors such as metallurgy, pulp and paper and food & drink industry can benefit from this systemic approach. Moreover, integration of complex thermodynamic utilities such heat pumps or Combined Heat and Power units can significantly reduce the energy consumption of a process, without having to interfere with the process technology.An algorithm for heat exchangers network design from heat fluxes was chosen in the literature and two features were added to it: Ability to pick different heat exchanger technology and creation of "availabilities" heat fluxes whose outlet temperature is variable. Preselection tool has been developed from grand composite curve and exergetic criterion to propose and pre-size thermodynamics utilities. It is used upstream of the heat exchangers network design step.These two algorithms have been integrated into a software for energy integration of process unit operations heat fluxes. Several validations were made on study cases from the literature as well as on industrial cases which require process modelling. The both algorithms sequence allows achieving practical and technologically feasible results. Improvement on energy consumption provided by the solutions can be calculated at each step.

Les files d'attente fluides sont des processus markoviens à deux dimensions, où la première composante, appelée le niveau, représente le contenu d'un réservoir et prend des valeurs continues, et la deuxième composante, appelée la phase, est l'état d'un processus markovien dont l'évolution contrôle celle du niveau. Le niveau de la file fluide varie linéairement avec un taux qui dépend de la phase et qui peut prendre n'importe quelle valeur réelle.<p><p>Dans cette thèse, nous explorons le lien entre les files fluides et les processus QBD, et nous appliquons des arguments utilisés en théorie des processus de renouvellement pour obtenir la distribution stationnaire de plusieurs modèles fluides.<p><p>Nous commençons par l'étude d'une file fluide avec un réservoir de taille infinie; nous déterminons sa distribution stationnaire, et nous présentons un algorithme permettant de calculer cette distribution de manière très efficace. Nous observons que la distribution stationnaire de la file fluide de capacité infinie est très semblable à celle d'un processus QBD avec une infinité de niveaux. Nous poursuivons la recherche des similarités entre les files fluides et les processus QBD, et nous étudions ensuite la distribution stationnaire d'une file fluide de capacité finie. Nous montrons que l'algorithme valable pour le cas du réservoir infini permet de calculer toutes les quantités importantes du modèle avec un réservoir fini.<p><p>Nous considérons ensuite des modèles fluides plus complexes, de capacité finie ou infinie, où le comportement du processus markovien des phases peut changer lorsque le niveau du réservoir atteint certaines valeurs seuils. Nous montrons que les méthodes développées pour des modèles classiques s'étendent de manière naturelle à ces modèles plus complexes.<p><p>Pour terminer, nous étudions les conditions nécessaires et suffisantes qui mènent à l'indépendance du niveau et de la phase d'une file fluide de capacité infinie en régime stationnaire. Ces résultats s'appuient sur des résultats semblables concernant des processus QBD.<p><p>Markov modulated fluid queues are two-dimensional Markov processes, of which the first component, called the level, represents the content of a buffer or reservoir and takes real values; the second component, called the phase, is the state of a Markov process which controls the evolution of the level in the following manner: the level varies linearly at a rate which depends on the phase and which can take any real value.<p><p>In this thesis, we explore the link between fluid queues and Quasi Birth-and-Death (QBD) processes, and we apply Markov renewal techniques in order to derive the stationary distribution of various fluid models.<p><p>To begin with, we study a fluid queue with an infinite capacity buffer; we determine its stationary distribution and we present an algorithm which performs very efficiently in the determination of this distribution. We observe that the equilibrium distribution of the fluid queue is very similar to that of a QBD process with infinitely many levels. We further exploit the similarity between the two processes, and we determine the stationary distribution of a finite capacity fluid queue. We show that the algorithm available in the infinite case allows for the computation of all the important quantities entering in the expression of this distribution.<p><p>We then consider more complex models, of either finite or infinite capacities, in which the behaviour ff the phase process may change whenever the buffer is empty or full, or when it reaches certain thresholds. We show that the techniques that we develop for the simpler models can be extended quite naturally in this context.<p><p>Finally, we study the necessary and sufficient conditions that lead to the independence between the level and the phase of an infinite capacity fluid queue in the stationary regime. These results are based on similar developments for QBD processes. / Doctorat en sciences, Spécialisation mathématiques / info:eu-repo/semantics/nonPublished