冲击式水轮机内部流动为具有自由表面流、两相流及非定常流的复杂混合流动，无法对其进行类似于反击式水轮机的单相定常简化，因此对冲击式水轮机性能进行精确预测十分困难。本研究以冲击式水轮机中喷管至水斗间大气环境下的自由射流流动为研究对象，完成了由轴对称射流模型到三维整体射流模型的转变，以数值实验方式对自由射流缩流及扩散的流动机理进行特性分析，对喷嘴射流的流动形态和机理加以深入探讨，进而为优化喷嘴/喷针的水力设计提供依据和相关设计参数。 大气中水射流的复杂动态特性同时体现在空间和时间上，即作为复杂的非定常多相流动，空气和水的分界面随着时间剧烈波动，水轮机喷管上游的弯管入流、喷管内喷射机构、机壳内具有湿度的气流等因素都会对射流产生影响，从而难以精确获得射流形状、射流缩流和扩散等水力设计相关的重要参数。本研究首先在简化了的轴对称射流模型上验证了自由射流的缩流和扩散特性现象，对缩流及扩散机理进行探讨，提出了判定射流缩流截面的准则，并进行多工况下自由射流非定常两相流数值解析，对射流沿程的能量分布及涡度进行了定量分析。根据VOF法对射流自由表面进行数值预测的结果，获得了射流缩流位置、缩流半径、射流膨胀率等重要参数，并对自由射流的尺度效应进行了探讨，从而为冲击式水轮机水力优化设计提供良好的技术支持。 在轴对称射流模型的基础上，本研究建立了整体三维自由射流数值模型，模型保留包括有上游弯管、内控喷射机构、以及喷针支架等绝大部分几何构造，对整体三维模型的数值设定进行了探讨。其解析结果同样验证了自由射流缩流和扩散现象，而后对三维模型解析的射流流态和射流参数计算进行分析，尤其是因弯管内二次流导致的射流形状以及射流缩流和扩散特性的不对称性，并将解析结果与轴对称模型加以对比，从而确定了三维整体解析的优势，并为下游水头内部流动解析提供了真实的入流条件。