城市地下管廊集成多类工程管线,为城市持续、高效地输送物质和能量,是保障城市平稳运行的生命线。但城市地下管廊内可燃物密集,火灾危险性高,易发生火灾事故。现有灭火技术在应用于城市地下管廊时,均存在一定不足。笔者所在课题组研究发现,液氮作为一种新型惰性气体灭火剂,冷却降温及隔氧窒息能力优秀,对于城市地下管廊火灾具有良好的适用性。当前针对城市地下管廊液氮灭火特性的研究极为匮乏,难以支撑其工程应用。为探究城市地下管廊液氮灭火特性、完善液氮灭火理论,本文基于液氮冷却和窒息的灭火原理,提出了城市地下管廊液氮灭火用量计算方法。在此基础上,通过搭建缩尺寸城市地下管廊试验系统,开展了竖直及水平注氮方式下的液氮灭火试验,揭示了液氮的灭火作用机理。继而构建了城市地下管廊液氮灭火效能评价体系,探究了注入参数对液氮抑火、降温、窒息效能的影响。研究发现,在液氮灭火机理方面,竖直注入后液氮在注入处堆积并汽化,对靠近注氮口的区域窒息效果较好。随后氮气在管廊下部纵向运移,氧气体积分数呈现阶梯式分布,灭火时距火源1 m及3 m处相差2.8%。液氮分两阶段作用于火源,温度分阶段下降,随着距离增加冷却效果减弱。而水平注氮时,低温氮气在管廊内的纵向运移更剧烈,冲击原气体分层,使燃烧短暂加强。注氮过程中各位置氧气体积分数相差较小,灭火时相同间隔仅相差1.1%。液氮的作用方式表现为持续性冷却,温度下降无明显分段,降温过程滞后于竖直注入方式约23 s,但灭火后远离注氮口的位置温度恢复更快。整体来看竖直注入方式下液氮灭火效率更高,相比于对照组,灭火时间最多可缩短90%以上,控火时间可缩短88%以上。在液氮灭火效能方面,近距离下液氮的快速流入会对火焰产生瞬时的抑制作用,距离增加抑火因子减半。而注氮管径越大,液氮在注入区域堆积越明显,窒息和降温效果更好,灭火、控火效率越高。抑火、降温、窒息效能均随着注氮管径的减小、注氮流量的减少及注氮距离的增加而不同程度减弱,但存在临界范围。不同的灭火因子对于各注氮参数敏感性不同,抑火因子、降温因子、窒息因子分别对距离、距离、管径敏感性最高,均对注氮流量敏感性最低。本文的研究有利于解决城市地下管廊火灾扑救难题,为液氮灭火实际应用提供理论指导和数据支撑。