Fluid-fluid displacement in porous media is common in many natural and engineering settings. Extensive studies investigated the transition of displacement patterns, but the direct prediction of the displacement efficiency using the pore structure is lacking. Here, we propose a method to directly predict the displacement efficiency with no need to solve the Navier-Stokes and the Hagen-Poiseuille equations in ordered porous media. The predictive method origins from the pore-scale filling events, which can be divided into two directions such as the bulk flow direction and the transverse direction. The pore-filling event (burst) dominates the fluid invasion for the bulk flow direction, and the invading phase forms a thin fingering channel. For the transverse direction, we introduce three invasion modes (compact, taper, and widen) to quantify fluid invasion. We can predict the finger width in each column, and the displacement efficiency can be predicted through the weighted average of the predicted finger width. We evaluate the predictive method using microfluidic experiments and pore-network simulations, confirming that the predictive method can reasonably predict the displacement efficiency in ordered porous media. Our method can also be applicable for disorder porous media when the disorder is smaller than a critical value. The predictive method can directly predict fluid invasion according to pore structure, thus greatly improving the computational efficiency and is of significance in multiphase flow control.

中文翻译：

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使用孔隙结构直接预测有序多孔介质中的流体-流体驱替效率

多孔介质中的流体-流体置换在许多自然和工程环境中很常见。广泛的研究调查了驱替模式的转变，但缺乏使用孔隙结构直接预测驱替效率。在这里，我们提出了一种直接预测位移效率的方法，无需求解有序多孔介质中的 Navier-Stokes 和 Hagen-Poiseuille 方程。预测方法源于孔隙尺度充填事件，可分为整体流动方向和横向两个方向。孔隙充填事件（爆裂）在整体流动方向上主导流体侵入，侵入相形成薄的指进通道。对于横向，我们引入了三种入侵模式（紧凑型、锥形、并扩大）以量化流体入侵。我们可以预测每一列的手指宽度，通过预测手指宽度的加权平均可以预测位移效率。我们使用微流体实验和孔隙网络模拟对预测方法进行了评估，证实该预测方法可以合理地预测有序多孔介质中的驱替效率。当无序小于临界值时，我们的方法也适用于无序多孔介质。该预测方法可以根据孔隙结构直接预测流体侵入，大大提高了计算效率，在多相流控制中具有重要意义。位移效率可以通过预测手指宽度的加权平均来预测。我们使用微流体实验和孔隙网络模拟对预测方法进行了评估，证实该预测方法可以合理地预测有序多孔介质中的驱替效率。当无序小于临界值时，我们的方法也适用于无序多孔介质。该预测方法可以根据孔隙结构直接预测流体侵入，大大提高了计算效率，在多相流控制中具有重要意义。位移效率可以通过预测手指宽度的加权平均来预测。我们使用微流体实验和孔隙网络模拟对预测方法进行了评估，证实该预测方法可以合理地预测有序多孔介质中的驱替效率。当无序小于临界值时，我们的方法也适用于无序多孔介质。该预测方法可以根据孔隙结构直接预测流体侵入，大大提高了计算效率，在多相流控制中具有重要意义。当无序小于临界值时，我们的方法也适用于无序多孔介质。该预测方法可以根据孔隙结构直接预测流体侵入，大大提高了计算效率，在多相流控制中具有重要意义。当无序小于临界值时，我们的方法也适用于无序多孔介质。该预测方法可以根据孔隙结构直接预测流体侵入，大大提高了计算效率，在多相流控制中具有重要意义。