散裂靶件通过高能质子轰击重金属的散裂反应，为次临界堆芯提供维持运行所需的外部高能中子源，是质子加速器和次临界堆芯的耦合部件。散裂靶件对ADS系统的整体运行起到了至关重要的作用。本文针对无窗散裂靶件中自由界面控制和流动场行为，开展了模拟实验和数值研究。优化设计了模拟无窗散裂靶件，并搭建了相应的实验系统。采用普通相机拍摄以及片激光诱导荧光结合高速摄像的方法，获得了自由界面结构和流场可视化实验数据。实验结果表明自由界面的特征主要受入口流量和出口压力控制，自由界面长度随入口流量增大呈二次函数递减，随出口压力增大呈线性递减。采用不同湍流模型结合VOF界面追踪方法对自由界面结构和流场进行了三维数值模拟，数值模拟结果表明大涡模拟技术能较好的表现自由界面瞬态流场结构。同时采用液态铅铋合金对无窗靶件的自由界面流动和输热过程进行了数值模拟分析，表明下降式无窗靶件自由界面下存在的漩涡滞止区十分不利于热量导出。为消除自由界面漩涡滞止区，设计了一种新型上旋式无窗靶件，在入口设置了导向叶轮使得管内流动带有旋转，管内流体在出口切向速度产生的离心力作用下，自然形成中部下凹的界面轮廓。初步的数值分析结果表明这种靶件的自由界面平滑完整，且在界面下方不存在漩涡滞止区。本文通过开展模拟无窗散裂靶件的水力实验和数值研究，得到了无窗靶件自由界面及流场的变化规律，并提出了一种新型无窗靶件设计，为后续的无窗散裂靶件研究提供了一定的基础。