基于斜坡和波紋壁的超聲速混合增強技術研究進展

王若榕 郭振云 黃偉

摘要：????? 隨著超燃沖壓發動機技術的飛速發展， 對在燃燒室內駐留時間極短的燃料射流與超聲速空氣來流的充分摻混與高效燃燒的要求越來越高， 為解決上述問題， 需要研究出一套穩定、 高效的噴注方案， 因此， 超聲速燃料的混合增強策略逐漸成為國內外航空航天學者的研究熱點。 混合增強方法按照機理分為被動混合增強和主動混合增強。 本文主要針對被動混合增強方法中的斜坡和波紋壁激波發生器， 分別梳理總結了其促進混合增強的原理和特點， 并對斜坡和波紋壁組合混合增強技術的研究進展進行了概述， 最后對各種混合增強方式的未來發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：???? 超燃沖壓發動機；? 混合增強；? 激波；? 斜坡噴注器；? 波紋壁

中圖分類號：??? ??TJ760；? V211? ??文章編號：??? ?1673-5048（2023）04-0106-09

文獻標識碼：??? A? ? DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2023.0019

0引言

高超聲速飛行器減少了遠距離運輸的時間和成本， 對國家安全和全球快速打擊具有重要戰略意義［1］。 因此， 各國航空航天學者致力于超聲速/高超聲速飛行器發動機的研究， 以優化飛行器的性能并降低其成本。 超燃沖壓發動機是超聲速/高超聲速飛行器各部件的核心， 在飛行器的飛行中起到重要作用［2-6］。 該發動機具有結構簡單、 成本低、 重量輕、 速度快、 單位推力高和無需攜帶額外氧化劑等優點， 使其一直是航空航天領域的研究熱點［7-10］。 氣體在超燃沖壓發動機燃燒室中以超聲速狀態流動， 駐留時間僅為毫秒量級［11］。 在如此短的時間內要完成超聲速自由來流與燃料射流的充分摻混和穩定燃燒， 高效的燃料噴射技術和射流混合方法成為該領域研究者們急需解決的關鍵性問題。

混合增強方法按其機理分為被動混合增強和主動混合增強［12］。 被動混合增強主要利用不同射流方式或燃燒室構型誘發出軸向渦結構促進燃料的有效摻混， 而主動混合增強主要通過激發流動不穩定性增強渦的流動和破碎來提高混合效率［13］。 常見的被動混合增強方法包括支板［14-16］、 斜坡［17-19］、 凹腔［20-23］、 塔橋［24-26］、 渦流發生器［27- 28］、 后向臺階［29-30］和波紋壁［31-33］等， 壁面橫向射流是最傳統的被動混合增強方法。 而主要的主動混合增強方法有脈沖射流［31-33］等。 斜坡噴注器是被動混合增強方法的一種， 在燃燒室內形成了一對穩定的流向駐渦， 實現了燃料射流和來流的有效摻混。 特別是在高速來流條件下， 燃料射流經過斜坡噴注器能近似與主流平行， 有效減小了壓力損失， 提高了推進效率［34-35］。 波紋壁激波發生器是一種可能的推遲邊界層轉捩的被動控制方法， 具有較強的應用前景。 其在燃料射流上游形成激波， 增強了渦的運動和破碎， 激發了流動不穩定性， 也提高了混合效率。 圖1給出了該激波發生器的基本模型。 正弦波的存在使燃料射流的上游產生了兩種不同的激波， 第一個激波是弓形激波， 由超聲速自由來流與第一表面波的相互作用而產生；? 第二個激波是分離激波， 其位置和角度隨著入口速度和波紋壁的輪廓而變化。

本文選擇了被動混合增強方法中的斜坡和波紋壁進行研究， 總結了國內外研究現狀和混合增強原理。 此外，還分析了斜坡和波紋壁組合混合增強技術的研究進展。 最后對三種混合增強方法的發展前景提出了展望。

1斜坡混合增強技術

1.1物理斜坡噴注器

斜坡噴注器在超聲速流場中起到混合增強和火焰穩定一體化作用。 其基本構型分為四類：? 膨脹式、 壓縮式、 壓縮膨脹式和懸臂梁式， 每類又可細分為有后掠和無后掠兩種結構， 三種常見斜坡的基本結構如圖2所示。? 斜坡的混合增強機理主要體現在：? 斜坡的邊緣可產生脫落渦， 底部能分離流動形成回流區；? 燃燒室對面室壁把斜坡產生的激波反射到燃料渦的結構上， 使燃料渦發生破裂；? 超聲速來流流經斜坡后會在下游產生反向旋轉的流向渦對， 這對流向渦對恰好卷吸了由斜坡底部噴出的且位于漩渦中心的燃料， 致使來流與射流強烈混合；? 斜坡產生的激波與燃料柱相交可能會產生斜壓扭矩， 從而誘生了附加的流向渦。 在高速來流條件下， 斜坡噴注器不僅提高了混合效率， 還有效減小了壓力損失， 其提供的燃料射流幾乎與主流相平行， 極大地提高了推進效率。

美國蘭利研究中心［36］系統研究了壓縮型、 膨脹型、 有后掠式和無后掠式這四類斜坡的混合增強效果、 燃燒效率以及自燃能力。 AbdelSalam等［37-38］使用CFD仿真軟件Fluent進行數值模擬， 研究結果表明混合速率會隨著來流馬赫數的增大而減小， 隨著斜坡后掠角的增大而增大。 Hartfield等［39］研究了后掠式斜坡， 研究結果表明斜坡產生的流向渦在近場混合中起關鍵性作用， 而湍流對斜坡下游的混合增強起主導作用。 圖3為燃料射流在馬赫數為2.9時的摩爾分數分布圖。 Fox等［40］運用自由活塞激波風洞對平板型、 城堡型、 后掠壓縮-膨脹斜坡和非后掠壓縮-膨脹斜坡的混合增強性能展開了研究，

研究結果表明混合效率由斜坡所誘導的流向渦強度和結構決定。 吳海燕等［41］分別對所設計的膨脹型和壓縮型斜坡的實驗件進行了紋影、 火焰傳播和油流譜實驗， 斜坡激波間相互作用、 后壓力分布及流向渦卷起過程的數值模擬結果與實驗結果的對比是一致的， 研究發現所設計的壓縮型斜坡無自燃特性， 隨著燃料當量比的下降， 膨脹型斜坡的自燃方式由斜坡后壓縮波點火變成類凹腔后緣激波點火。 根據圖4給出的膨脹斜坡油流譜實驗照片可得， 位于安裝臺階處的類凹腔結構產生的低速回流區延長了燃料的駐留時間， 促進了燃料的充分摻混和燃燒。

1.2氣動斜坡噴注器

物理斜坡應用的流向渦增強技術要侵入主流， 所以較大的總壓損失和阻力、 表面過高的熱負荷、 混合增強效果及火焰穩定程度對幾何結構的高度依賴是斜坡噴注器面臨的三大主要難題。 由此， 國內外學者就改善斜坡噴注器的性能展開了廣泛研究。 通過合理安排壁面上多個噴孔位置以及各噴孔不同的噴射角度使燃料噴流相互作用抬升了主流， 從而形成類似于物理斜坡的氣動斜坡。 沒有侵入主流的物理結構的氣動斜坡同樣能為燃料射流提供一對流向渦， 促進了燃料和來流的高效混合， 同時避免了較大的總壓損失。

目前， 國外對氣動斜坡噴注器和氣動斜坡凹腔一體化結構的混合燃燒特性進行了廣泛而系統性的研究。 Schetz等［42］把減少燃料射流總壓損失和熱量耗散的噴注方案定義為氣動斜坡， 并給出了一種氣動斜坡的具體結構布局。 Maddalena等［43］在自由來流馬赫數為4的條件下， 研究了四孔氣動斜坡， 擴大了氣動斜坡的作用范圍。 圖5～6分別為四孔氣動斜坡和單孔噴油器的氦氣質量分數輪廓。 Cox等［44-45］為使氣動斜坡獲得最佳的混合效果和最小的總壓損失， 對其空間布局和結構參數進行系統性的研究和優化， 結果表明， 多排不同角度的噴嘴陣列在來流馬赫數為3的流場下游形成了流向渦結構， 此時燃料的橫向擴散能力比單孔傾斜射流和后掠斜坡更強。 Mathur等［46］通過數值模擬和地面試驗的方式將所設計的九孔氣動斜坡凹腔一體化火焰穩定器與多噴孔凹腔進行對比， 研究發現氣動斜坡凹腔一體化設計明顯減小了總壓損失。 Jacobsen等［47-50］在來流馬赫數為2.4的流場中， 將所設計的四孔噴注氣動斜坡與單孔噴注進行對比， 研究結果表明在穿透度和總壓損失方面， 氣動斜坡與單孔噴注差別不大， 但氣動斜坡的混合增強效果明顯優于單孔噴注。 Fuller等［53-54］對物理斜坡和氣動斜坡性能對比的研究表明， 在來流馬赫數為2的條件下， 氣動斜坡的近場混合效果更強， 遠場混合效果不及物理斜坡， 但其遠場混合效果隨著燃料噴流動量的增大逐漸接近物理斜坡。 所以合理地設計氣動斜坡可以達到與物理斜坡相同的混合增強效果， 同時規避了超聲速燃燒室侵入主流的結構帶來的不利影響。 Anderson等［55］設計了一款簡單的兩孔氣動斜坡并首次在氣動斜坡中噴注了液體燃料， 這是與以往研究不同的創新性成果。 圖7顯示了該液體氣動斜坡在馬赫數為2.4時的流量可視化效果。

吳海燕等［56］運用大渦模擬（LES）方法對9噴嘴陣列的氣動斜坡在超聲速流場中的混合燃燒特性進行數值模擬， 紋影和油流譜的實驗結果表明， 噴嘴陣列形成的一對反向流向渦， 極大地促進了燃料和來流的有效摻混， 并在斜坡中間卷吸形成局部亞聲速區， 此區域延長了燃料的駐留時間， 從而起到良好的混合增強效果。 與此同時， 噴流產生的剪切層在燃燒過程中被抬升， 促進了混合增強。 噴流造成的激波損失隨著噴注角度的增大而變小， 從而總壓損失也變小。 宋岡霖等［57］設計出一款基于氣動斜坡的雙燃燒室超燃沖壓發動機， 并在直連式試驗臺上進行燃燒實驗。 主燃燒室采用氣動斜坡噴注， 在氣動斜坡噴嘴下游布置小型燃氣發生器作為亞燃燃燒室， 96%左右的超聲速空氣來流被分流后進入主燃燒室， 4%左右增壓后進入亞燃燃燒室。 試驗結果表明， 該方案下的碳氫燃料在大范圍當量比內是高效穩定燃燒的。 使用氣動斜坡對此燃燒室采用分布式噴注， 在模型的不同分段分別注入燃料， 在避免溢流的情況下， 將會大幅度提高發動機的推力。 閆明磊等［58］把燃料的噴射、 摻混、 燃燒、 火焰穩定進行一體化研究， 設計出一款氣動斜坡/燃氣發生器組合的燃料混合增強噴注方案， 如圖8所示。 采用地面試驗和數值模擬相結合的方法對該模型進行了一系列冷式和熱式試驗， 并模擬了其流動和燃燒特性。 研究結果表明， 混合效率較低的單獨氣動斜坡結構， 直噴式燃氣發生器在促進燃料與主流的高效摻混中起關鍵性作用。 壁面摩擦導致總壓損失， 氣動斜坡和燃氣發生器的總壓損失相對較小。 燃氣發生器不僅可以用于點火， 還可以穩焰和助燃。

2波紋壁混合增強技術

在橫向射流流場中常常引進正弦波紋壁來促進燃料的有效摻混， Gerdroodbary等［31］運用計算流體力學方法數值模擬了上游正弦波紋壁對下游超聲速氫燃料單孔橫向射流混合速率的影響， 研究結果表明在波紋壁波動幅度較大的情況下， 隨著自由來流馬赫數的增大， 波紋壁對燃料射流混合增強的作用愈發明顯， 并在射流上游產生了較大回流區， 使燃料集中分布在上游。 圖9顯示了入口馬赫數對氫氣質量分數的影響， 當自由來流馬赫數從2增加到4時， 燃料混合效率提高了35%以上。 此外， 正弦壁面對燃料混合效率的影響隨著射流壓比的增大而逐漸減小。 因為高噴射壓比下， 較大的燃料動量減弱了分離激波對燃料射流的影響。

Manh等［32］運用數值模擬方法在超聲速自由來流馬赫數為4的條件下， 模擬了上游波紋壁面對下游氫交叉射流流場結構和燃料擴散的影響， 揭示了波紋壁面的波動幅度和射流總壓對下游混合速率的影響。 波紋壁面產生了兩個激波：? 弓形激波和分離激波。 如圖10所示， 當波紋壁的波動幅度較低時， 第一次激波（弓形激波）的角度較低， 第二次分離激波產生在射流附近， 當波紋壁的波動幅度增大時， 第一次激波增強， 兩個激波的角度都更高， 從而提高了混合速率。 隨著燃料壓比的降低， 波紋壁對燃料摻混的影響愈發明顯。 如圖11所示， 當PR=0.1時， 隨著波紋壁波動幅度的增大， 噴孔附近的循環功率增大， 燃料更容易沿垂直方向移動， 降低了射流平面上的氫濃度， 從而增大了其他方向上的燃料濃度。 大波動幅度正弦壁的存在使混合率提高到35%。

Li等［33］采用計算流體力學方法研究了上游同波動幅度下， 不同波數正弦波紋壁對下游燃料射流混合速率的影響。 通過比較不同情況下的混合區， 重點分析了正弦波紋波數對超聲速主流和氫燃料射流流動結構和流線型的作用， 同時研究了總噴射壓力對流動特性的影響。 圖12展示了PR=0.1時， 不同波數的正弦波紋壁面混合區的流型和輪廓。 研究結果表明隨著波數的增加， 混合區逐漸向上游偏移， 同時氫射流的高度明顯增加， 使燃料在對稱平面上的質量濃度下降， 從而促進了燃料射流在跨度方向的混合增強。 當射流總壓增大時， 正弦壁對燃料混合增強的作用逐漸減小。 通過比較不同模型的混合速率， 該研究中波數最大的波紋壁較普通平面的混合速率提高了25%以上。

2020年， Li等［59］通過數值模擬方法研究了正弦激波發生器對下游超聲速交叉流下多孔氫射流流動結構的影響。 通過流動分析， 確定了正弦激波發生器中激波的相互作用對下游燃料射流混合速率的作用。 研究結果表明， 正弦激波發生器誘生的斜激波與射流流場的剪切層相互作用極大地促進了燃料的有效摻混。 隨著波動幅度從2 mm增加至5 mm， 混合效率增加了40%左右。 通過比較不同射流間距下多噴孔正弦激波發生器氫氣的質量分布， 圖13顯示了噴孔間距對氫氣質量分數的影響， 發現射流間距的增大對噴油器內小循環的形成具有促進作用， 從而增強了模型中的燃料分布。

Jiang等［60］研究了下游波紋壁下超聲速多氫交叉射流的混合和分布， 綜合研究了波紋波數和射流間距對射流混合滲透的影響。 研究結果表明， 下游波紋壁的存在形成了背壓和壓縮激波， 增加了射流動量， 改善了下游燃料混合性能。 隨著下游底壁正弦波紋波數的增加， 射流波動增強， 燃料的滲透率下降。 下游波紋壁多射流的混合性能隨著噴孔間距的增大而改善。 圖14顯示了不同波數下正弦波紋壁的馬赫數云圖。

上述主要介紹了波紋壁被動混合增強方法的研究進展， 在波紋壁主動混合增強方法的研究方面， Ye等［61］采用非定常數值模擬方法， 研究了平板振動對超聲速氫橫向射流混合燃燒的影響。 燃燒模型為有限速率化學模型。 主要分析了平板的振動頻率和振幅對流場結構和燃燒性能的影響。 研究結果表明， 平板振動改變了激波結構和火焰結構， 使注入下游的激波強度增強， 從而提高了混合效率和燃燒效率， 但燃燒室的總壓損失系數也因此增大。 振動頻率對燃燒效率和總壓損失系數的影響較弱。 高振動頻率打破了燃燒效率和總壓損失系數的規律性周期變化， 增加了流動中的高頻脈動。 然而振幅對燃燒效率和總壓損失系數的影響較為明顯， 當振幅較大時， 燃燒效率不再隨時間呈小振幅時的周期性變化， 流動開始分化， 趨于不穩定性， 十分不利于超燃沖壓發動機燃燒室性能的提升。

綜上所述， 波紋壁是近幾年新的混合增強方法， 其通過改變燃燒室內流道壁面粗糙度產生入射激波與流場中的大尺度渦以及剪切混合層相互作用， 對流場中的渦結構和回流區產生影響， 由此產生的更為復雜的流場結構促進了超燃沖壓發動機內燃料的混合增強。 目前， 對波紋壁的研究尚處于數值模擬階段， 還需要結合地面風洞試驗進行更廣泛的理論研究。 同時要從減小總壓損失、 提高燃料的侵入深度等角度對其進行優化。

3斜坡和波紋壁組合混合增強技術

國內外學者對斜坡和波紋壁組合混合增強技術開展的研究非常少， 尚處于起步階段， 其中印度學者Kummitha對組合混合增強技術進行了一定程度的研究。 Kummitha等［62］在DLR超燃沖壓常規楔形支板的基礎上引入波紋壁的形狀， 如圖15所示。 通過求解雷諾平均Navier-Stokes方程， 評估了DLR超燃沖壓常規支板和波紋壁式支板在不同流動條件下（Ma=2， 4， 6）激波的性能和剪切混合層的發展。 利用SST k-ω湍流模型模擬了與激波關聯的湍流、 混合層、 邊界層的相互作用。 通過可視化流動結構的壓力、 密度、 速度等高線， 如圖16～17所示， 分析了超燃沖壓發動機的內部流場。 波紋壁支板的斜激波數量明顯增加， 激波與剪切層相互作用的次數較常規支板的3次增加至5次， 因此波紋壁支板的剪切混合層厚度更大。 與常規楔形支板相比， 波紋壁支板在燃燒室入口處具有更高的壓力、 溫度和激波強度， 點火延遲的時間因此減少， 增加了提前燃燒的可能性。 此外， 波紋壁的設計增加了流線渦旋、 湍流強度和湍流動能， 提高了湍流水平， 促進了混合增強。 綜合激波的產生及其與剪切層的相互作用以及湍流參數的分析可得波紋壁支板對激波誘導的燃料和空氣的混合增強有明顯的促進作用。 最后評估了波紋壁支板的性能， 由于斜激波的作用和更好的混合效果， 波壁支板具有更大的壓力損失。

在此基礎上， Kummitha等［63］研究了波紋壁面雙支板噴油器的工作性能， 雙波紋支板結構的激波與剪切層的相互作用進一步增強， 同時沿橫向擴展了燃燒區域， 其混合效率提高了18%， 燃燒效率提高了20%。

2022年， Kummitha等［64］將帶有分流板燃燒器的基本模型底壁改成波紋壁， 基本模型燃燒室頂壁做成斜面，傾斜了3°。 數值模擬了兩個模型的流場結構、 壓力、 速度、 反應速率、 渦旋、 湍流強度， 并對內部流動結構進行可視化。 波壁模型在尾流區之前動能轉化成壓力能， 燃料流壓力大幅度上升， 超聲速流更長的停留時間優化了混合與燃燒， 徑向平均剪切混合厚度增加了6.7%， 這促進了燃料流和空氣的混合。 不同位置的橫流速度剖面如圖18所示。 波壁模型的大燃料穿透率導致大的反應速率， 徑向燃燒效果更佳， 其分流板尾流區的渦度增加了81%。 基本模型的湍流強度總體維持在較高的水平， 但在下游區域逐漸減小， 而波壁模型在下游一直保持較高的湍流強度。 波壁模型湍流徑向分布較高， 在徑向起到了一定混合增強的作用。 波壁模型產生的斜激波與剪切混合層的相互作用促進了燃料的混合與燃燒。

綜上， 斜坡和波紋壁組合混合增強技術是一種全新的被動混合增強方法， 其結合了兩類混合增強方法的優點， 既可以獲得較大的燃料穿透深度、 較好的火焰穩定效果， 又能減小波紋壁混合增強中較大的總壓損失。

4總結與展望

本文從斜坡、 波紋壁以及斜坡和波紋壁組合混合增強三個方面綜述了超聲速自由來流中燃料射流混合增強的機理和研究進展， 得出結論如下：

（1） 斜坡噴注器是一種在超聲速流場中起到混合增強和穩定火焰作用的被動混合增強技術， 其在燃燒室內形成的一對穩定流向駐渦是促進燃料高效混合的關鍵。 由其提供的幾乎平行于主流的燃料射流極大地提高了燃料的穿透深度， 是一種較為理想的被動混合增強方法。 然而物理斜坡產生的流向渦要侵入主流， 產生了較大的流動損失、 壓力損失， 此外表面較高的熱負荷給結構熱防護帶來較大的難題。 由此研發了采用多噴嘴組合， 通過設計不同噴注角度使超聲速來流和燃料射流相互作用的氣動斜坡噴注器， 既能在流場中形成類似于物理斜坡的流向渦結構， 促進燃料的有效摻混， 又能使抬升主流、 減小流動損失的氣動斜坡噴注器是未來斜坡噴注器的發展趨勢。 未來對斜坡噴注器的研究應集中于優化方面， 如優化物理斜坡外形減小體積， 優化氣動斜坡噴嘴排列減小流動損失等。

（2） 波紋壁混合增強方法主要利用波紋壁面誘生的斜激波與剪切混合層的相互作用， 極大地改變了燃料射流的結構， 分散了射流下游的羽流， 有效地提高了燃料的穿透深度和混合效率， 有良好的工程應用前景。 但現階段對該混合增強方法的研究較少， 尚處于數值模擬階段， 對其混合增強機理的了解還不夠透徹。 此外， 波紋壁的構型（波動幅度和波數）以及噴孔的位置（波峰和波谷）仍有待于進一步的優化。 需要結合數值模擬和地面風洞試驗的方法對其進行更深入的研究。 同時應結合侵入式噴注方式從增大超聲速流中燃料射流的穿透深度和減小侵入式結構總壓損失的角度來進行深入研究。

（3） 斜坡和波紋壁組合混合增強方法利用斜坡產生的膨脹波和波紋壁產生的多個斜激波分別在燃燒室頂壁和底壁之間多次反射并與剪切層進行多重相互作用， 增加了剪切混合層的厚度， 促進了燃料的有效摻混。 國內外學者對組合混合增強的研究非常少， 尚處于起步階段。 目前對斜坡和波紋壁組合混合增強的研究尚停留在數值模擬階段， 斜坡和波紋壁的構型以及噴口的數量、 位置和間距有待于進一步的優化， 還需要結合地面風洞試驗為其工程應用的實現打下基礎。

（4） 隨著超燃沖壓發動機技術的發展， 未來的超聲速/高超聲速飛行器對燃料混合增強技術的要求必然越來越高， 需要研發出更加高效的燃料噴注方法來適應新一代超聲速/高超聲速飛行器的發展。 未來的混合增強策略可從各種不同主被動混合增強方式的組合入手， 誘發出更多的軸向渦結構， 增強激波與剪切層的相互作用， 產生更大范圍的低速回流區， 從而在更寬速域的范圍內保證超燃沖壓發動機的工作效率。 此外， 使噴注方式隨著自由來流的不同條件而進行自適應改變從而達到最優混合增強效果， 智能化混合增強控制策略也是未來混合增強技術的發展方向。

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[HJ*3][HJ][JZ（]Research Progress of Supersonic Jet Mixing Enhancement

Technology Based on Slope and Wavy Wall

Wang Ruorong*， Guo Zhenyun， Huang Wei

（Science and Technology on Scramjet Laboratory， College of Aerospace Science and Engineering，

National University of Defense Technology， Changsha 410073， China）

Abstract： With the rapid development of scramjet technology，? the requirement of full mixing and efficient combustion of fuel jet and supersonic air flow with very short residence time in the combustion chamber is becoming much higher. In order to solve the above problems，? it is necessary to develop a set of stable and efficient injection scheme. Therefore，? the mixing enhancement strategy of supersonic fuel has gradually become a research focus of aerospace scholars at home and abroad. Mixed enhancement methods can be divided into passive mixed enhancement and active mixed enhancement according to their mechanisms. In this paper，? the slope and wavy wall shock generators in passive hybrid enhancement methods are summarized respectively，? and the research progress of slope and wavy wall combined mixed enhancement technology is summarized. Finally，? the future development of various mixed enhancement methods is prospected.

Key words： ?scramjet；? mixing enhancement；? shock；? ramp injector；? wavy wall